大阪大學開發低溫甲烷化用之3D列印製自催化反應器

由於CO₂甲烷化的化學反應(CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O)屬於需要在啟動時輸入能量的放熱反應，並且還會遇到高機遇被另一個吸熱的化學反應(CO₂ + H₂ → CO + H₂O)插隊的挑戰，因此開發在低溫範圍內具有高CO₂轉化率和CH₄選擇性的催化劑是不可或缺的。大阪大學的研究團隊整合雷射金屬3D列印技術和表面處理技術，開發出能在1大氣壓、140ºC低溫的條件下將CO₂甲烷化的高活性、高選別性的自催化反應器（SCR：Self Catalytic Reactor），其優異表現媲美過去需要加壓至20大氣壓的釕（Ru）觸媒。

研究團隊發現，將層狀化合物三鈦酸鈉（Na₂Ti₃O₇）結構層間的鈉離子替換成釕離子（Ruⁿ⁺，0 < n < 4）後，不僅可以在1大氣壓、140ºC低溫的條件下將CO₂甲烷化，且即便經過220小時活性也沒有降低。新觸媒在1大氣壓下的表現，媲美過去釕觸媒需要加壓至20大氣壓的性能。研究團隊也透過深入研究細微構造證實了其原理，且進一步開發、改良觸媒的形狀，以符合化工現場製備簡便、節能的需求。團隊先是使用雷射金屬3D列印將Ti-6Al-4V合金粉末加工程帶有通道結構的催化反應管，再藉由氧化、於NaOH中進行水熱合成法，使表面形成Na₂Ti₃O₇奈米纖維。將釕離子導入奈米纖維後，可實現接近前述粉末狀新觸媒的活性。

此次開發的新觸媒不僅得以利用工廠140°C的廢熱從而簡單、低成本地驅動甲烷化反應，還具備優異的耐久性、導熱性、機械強度，有望對碳中和，以及以3D列印為基礎的材料科學領域帶來重大影響。此外，研究團隊針對細微構造的研究，證實孤立釕離子釕離子（Ruⁿ⁺，0 < n < 4）才是真正驅動低溫甲烷化反應的關鍵，其學術意義重大。

資料來源：大阪大學（2025年4月2日）

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