同轴3D打印核壳结构复合催化剂研究进展

doi:10.7503/cjcu20260082

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (6): 20260082.doi: 10.7503/cjcu20260082

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同轴3D打印核壳结构复合催化剂研究进展

魏颖真¹, 冯婧怡², 王若瑜¹(), 宋海涛¹(), 闫文付²()

^1.中石化石油化工科学研究院有限公司，北京 100083
^2.吉林大学无机合成与制备化学全国重点实验室，长春 130012

收稿日期:2026-02-17 出版日期:2026-06-10 发布日期:2026-03-25
通讯作者: 王若瑜 E-mail:wangruoyu.ripp@sinopec.com;songht.ripp@sinopec.com;yanw@jlu.edu.cn
作者简介:宋海涛，男，博士，研究员，主要从事催化裂化催化剂及污染物转化助剂方面的研究. E⁃mail： songht.ripp@sinopec.com
闫文付，男，博士，教授，主要从事分子筛的合成、催化、吸附分离、离子交换及新型领域应用方面的研究. E-mail： yanw@jlu.edu.cn
基金资助:
中国石油化工股份有限公司合同项目(225217);中国科协青年人才托举工程项目(YESS20230710)

Research Progress in Coaxial 3D Printed Core-shell Structured Composite Catalysts

WEI Yingzhen¹, FENG Jingyi², WANG Ruoyu¹(), SONG Haitao¹(), YAN Wenfu²()

^1.SINOPEC Research Institute of Petroleum Processing Co. ，Ltd. ，Beijing 100083，China
^2.State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry，Jilin University，Changchun 130012，China

Received:2026-02-17 Online:2026-06-10 Published:2026-03-25
Contact: WANG Ruoyu E-mail:wangruoyu.ripp@sinopec.com;songht.ripp@sinopec.com;yanw@jlu.edu.cn
Supported by:
the Research Grants from China Petrochemical Corporation(225217);the Young Elite Scientists Sponsorship Program by China Association for Science and Technology(YESS20230710)

摘要/Abstract

摘要：

核壳结构复合催化剂具有不同功能组分非均匀分布的特征，可通过空间分区对化学反应微环境进行精细调控，因此在工业催化中具有广泛应用. 3D打印技术凭借结构可定制化的独特优势，能够精准构筑具有多级孔道结构的自支撑催化剂；其中同轴3D打印通过多通道墨水同步共挤出与可控沉积，可一步实现多材料空间定向分布，在核壳结构复合催化剂精确构筑与高效加工方面富有潜力. 本文综合评述了同轴3D打印核壳结构复合催化剂在设计制备及应用方面的研究进展，系统阐述了同轴3D打印的工作原理、同轴喷头的结构设计及3D打印墨水的配方体系；还总结了3D打印核壳催化剂在机动车尾气净化、液态有机污染物催化转化及挥发性有机化合物催化燃烧等领域的应用进展，讨论了现阶段技术挑战及未来重点研究方向，为新型核壳结构复合催化剂的工程化应用与高性能化开发提供了借鉴.

关键词: 核壳结构, 催化剂, 同轴3D打印, 增材制造

Abstract:

Core-shell structured composite catalysts are characterized by the heterogeneous distribution of functional components， enabling precise regulation of the microenvironment for chemical reactions via spatial separation， thus exhibiting extensive applications in industrial catalysis. Endowed with structural customization advantages， 3D printing technology allows the precise construction of self-supporting catalysts with hierarchical channels. Among them， coaxial 3D printing realizes the spatial directional distribution of multi-materials in a single step via the simultaneous co-extrusion and controllable deposition of multi-channel inks. This technique exhibits great potential in the precise fabrication and efficient processing of core-shell structured composite catalysts. This review summarizes the research progress in the designable preparation and application of coaxial 3D-printed core-shell structure composite catalysts. The working principle of coaxial 3D printing， the structural design of coaxial nozzles， and the formulation of 3D printing inks are systematically elaborated. It also recapitulates the application advances of 3D-printed core-shell catalysts in vehicle exhaust treatment， the catalytic conversion of liquid organic pollutants， and the catalytic combustion of volatile organic compounds. The challenges confronting state-of-the-art technologies and important future research directions are thoroughly analyzed， thereby providing a valuable reference for the engineering application and high-performance development of novel core-shell composite catalysts.

Key words: Core-shell structure, Catalyst, Coaxial 3D printing, Additive manufacturing

中图分类号:

O614

TrendMD:

魏颖真, 冯婧怡, 王若瑜, 宋海涛, 闫文付. 同轴3D打印核壳结构复合催化剂研究进展. 高等学校化学学报, 2026, 47(6): 20260082.

WEI Yingzhen, FENG Jingyi, WANG Ruoyu, SONG Haitao, YAN Wenfu. Research Progress in Coaxial 3D Printed Core-shell Structured Composite Catalysts. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(6): 20260082.

图/表 8

Fig.1 Schematic illustration of the fabrication for core⁃shell catalysts

Fig.2 Schematic illustration of the fabrication for Cu⁃SSZ⁃13@SiO2 core⁃shell catalysts(A), digital photograph of Cu⁃SSZ⁃13@SiO2 catalyst with different 3D structures(B), SEM images of cross⁃sectional 3D⁃Cu⁃SSZ⁃13@SiO2⁃50 (C, D), SEM images of cross⁃sectional 3D⁃Cu⁃SSZ⁃13@SiO2⁃80(E, F), Scheme of the diffusion of reactant/product gas molecules over monolithic catalysts in NH3⁃SCR(G), NO conversion of 3D⁃Cu⁃SSZ⁃13, 3D⁃Cu⁃SSZ⁃13@SiO2⁃50, and 3D⁃Cu⁃SSZ⁃13@SiO2⁃80(H), Scheme of interaction between H2O molecules and catalysts during hydrothermal aging(I) and NO conversion of aged 3D⁃Cu⁃SSZ⁃13(3D⁃Cu⁃SSZ⁃13⁃A), aged 3D⁃Cu⁃SSZ⁃13@SiO2⁃50(3D⁃Cu⁃SSZ⁃13@SiO2⁃50⁃A), and 3D⁃Cu⁃SSZ⁃13@SiO2⁃80⁃A[19](J)Copyright 2023， Wiley-VCH.

Fig.3 Digital photograph of 3D⁃Pt/Al2O3 and 3D⁃Pt/Al2O3@Cu⁃SSZ⁃13(A), SEM images of cross⁃sectional 3D⁃Pt/Al2O3@Cu⁃SSZ⁃13 under different magnifications(B—D) and NH3 conversion and N2 yield over 3D⁃Pt/Al2O3 and 3D⁃Pt/Al2O3@Cu⁃SSZ⁃13(E)[19]Copyright 2023， Wiley-VCH.

Fig.4 NO x profiles(A) and amount of NO x of 3D⁃printed Pd/CHA and Mn/CHA@Pd/CHA monoliths(B), cyclic NO x profiles of 3D⁃printed Mn/CHA@Pd/CHA monolith(C) and schematic illustration of the NO x adsorption(left) and desorption(right) mechanism for 3D⁃printed Mn/CHA@Pd/CHA monoliths: the Mn/CHA core is encircled by the Pd/CHA shell(D)[55]Copyright 2024， Wiley-VCH.

Fig.5 Schematic diagrams(A), cross⁃sectional SEM images(B) and cold start transient test runs with 5% H2O of core⁃shell monolith, dual⁃layer monolith, and physically mixed monolith(C)[59]Copyright 2026， Elsevier Ltd..

Fig.6 Schematic of Me/CFBR preparation based on coaxial biostructure of bamboo(A), SEM images of the cross⁃section of the CFBR(B, C) and conversion rate of 4⁃NP obtained using reduced Me/CFBR(D)[58]Copyright 2026， Elsevier Ltd..

Fig.7 Schematic diagram of the preparation process for coaxial 3D printed Pd/C catalytic reactor(A), cross⁃sectional images of Pd/C catalytic reactor with nuclear diameters of 3.8, 2.8, 1.8 mm(B—D), 3D printing coaxial Pd/C catalytic reactor with the special shapes of U⁃type, W⁃type, and L⁃type (E—G) and plot of conversion vs. time for Pd/C catalytic reactor with different types(H)[56]Copyright 2026， Elsevier Ltd..

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