高温合成是制备金属、陶瓷和碳化合物等多种材料的关键技术，广泛应用于实验室和工业生产。然而，传统烧结炉依赖辐射加热，常受限于温度范围不足、加热冷却速率缓慢及能效低下。这些问题导致材料结构不均一，尤其不利于需要精细控制的纳米材料合成。尽管过去十年中，激光加热、微波辅助反应和溶液燃烧等技术的发展为材料合成提供了新的加热策略，但它们往往受限于材料属性，难以实现全面的合成条件控制。此外，现有的高温热冲击技术虽能快速合成纳米粒子，但适用范围受限于导电材料。因此，开发一种普遍适用、高度可控的微型反应器，对于实现快速、精确的纳米结构合成具有重要意义，这将为高温敏感材料的合成提供新的解决方案。
2020，马里兰大学胡良兵教授课题组在期刊《Small : nano micro》上发表题为“Thermal Shock Synthesis of Nanocatalyst by 3D-Printed Miniaturized Reactors”的论文。本文提出了一种3D打印的微型反应器，该反应器采用密集的微网格设计，以最大化材料接触，实现高效可控的加热。通过3D打印技术，可以构建具有微尺度特征的多功能微型反应器，其温度范围可扩展至约3000 K，加热/冷却速率可达约10^4 K/s。为了证明这种设计的实用性，本文通过瞬态加热（1500 K，500毫秒）实现了快速批量合成有序介孔碳支撑的Ru纳米粒子。所得的超细且均匀的Ru纳米粒子（约2纳米）可作为Li-CO2电池的阴极，具有良好的循环稳定性。这种微型反应器，凭借其多样化的形状设计和高度可控的加热能力，为实现局部和超快速的高温纳米催化剂合成提供了一个平台，这在传统方法中是难以实现的。
本研究中，研究人员成功展示了一种3D打印微型反应器，该反应器利用石墨烯氧化物（GO）的3D打印技术，制造出具有微尺度图案的多样化反应器形状，以实现局部和高效的加热。通过焦耳加热，该反应器能够快速升温至约3000 K，并保持高达10^4 K/s的加热速率，这为纳米催化剂的批量化和可扩展合成提供了一种全新的高效可控加热解决方案。
如图1所示，该微型反应器具有矩阵结构，不仅提供了储存原料的空间，而且通过3D打印技术轻松调整反应器的形状、尺寸和内部结构。经过300°C氩气下的热还原处理后，GO转化为具有适中电导率的还原GO（r-GO），从而在焦耳加热下产生高温。反应器的密集网格图案设计最大化了材料接触面积，实现了高效均匀的热传导，这一点在图1d中得到了明确展示。
图2展示了GO墨水的流变性质和3D打印反应器的形态结构，证明了墨水的非牛顿流体特性和3D打印结构的稳定性。SEM图像（图2h）和拉曼光谱（图2i）进一步揭示了3D打印r-GO反应器的微观结构和石墨烯的无序程度，这对于实现有效的焦耳加热至关重要。
为了探究反应器的加热能力，研究人员在图3a中展示了通过电焦耳加热实现的设备悬挂设置。图3b至3d进一步展示了不同电流脉冲下反应器的温度控制能力和空间温度分布，证实了反应器在毫秒级实现均匀加热的能力。此外，图3f至3h展示了反应器在不同输入电流下的辐射光谱和循环稳定性，证明了3D打印微型r-GO反应器作为高温反应器的卓越性能。
图4展示了使用3D打印微型反应器批量合成支持纳米粒子的过程，包括前体装载、快速加热和样品卸载。特别是，研究人员在1500 K下利用r-GO反应器合成了嵌入商业介孔碳CMK-3通道中的Ru金属纳米粒子。通过与传统管式炉制备的Ru纳米粒子进行比较，如图4e至4h所示，研究人员的微型反应器能够快速高效地合成尺寸均匀的Ru纳米粒子，且分散性更好。
最后，图5展示了使用3D打印微型反应器获得的CMK-3中Ru纳米粒子作为Li-CO2电池阴极材料的电化学性能。这些Ru纳米粒子不仅降低了电池充放电过程中的过电位，还显著提高了能量转换效率，并且在循环稳定性和速率性能方面表现出色。XRD和FTIR谱图（图5e和5f）进一步证实了电池中Li2CO3的可逆形成和分解。
综上所述，本研究的3D打印微型反应器在纳米催化剂合成领域展现出巨大的潜力和应用前景，其快速、高效、可控的加热能力为实现高温合成提供了新的策略，并有望推动相关技术的发展和工业化应用。
本研究首次报道了一种通用的3D打印微型反应器，该反应器能够为高温纳米催化剂合成提供高效、快速且可控的加热。通过3D打印技术制作的微尺度网格设计，增加了热冲击过程中的材料接触，使反应器能够实现高达约3000 K的温度和毫秒级的超快加热持续时间，以及高达10^4 K/s的升温速率。作为概念验证，研究人员利用这种3D打印微型反应器，通过约1500 K、约500毫秒的瞬态加热，合成了均匀的约2纳米Ru纳米粒子，这些纳米粒子嵌入在介孔CMK-3基质中，作为Li-CO2电池的阴极展现出卓越的性能。
这种结合热冲击方法与3D微型反应器的合成策略，可普遍应用于快速批量合成负载型单金属或合金纳米粒子，适用于能源存储和催化等多种应用场景。所报道的高温微型反应器提供了一种在微尺度上实现三维、均匀且高效加热的策略，作为一个平台，它提供了传统方法难以实现的超高温和超快速加热能力。
展望未来，这项技术有望进一步拓展到更多类型的纳米材料合成，推动相关领域的材料创新和工业应用。3D打印微型反应器的多功能性和设计灵活性，为实现定制化的纳米结构合成提供了广阔的可能性。此外，该技术在提高材料合成效率、降低能耗和成本方面展现出巨大潜力，有望引领高温合成技术的新发展，为能源转换、催化反应等领域带来革新。随着3D打印技术和材料科学的不断进步，预计将有更多的突破，为科学研究和工业生产提供更加高效、环保的解决方案。
Yun Qiao; Yonggang Yao; Yang Liu; Chaoji Chen; Xizheng Wang; Geng Zhong; Dapeng Liu; Liangbing Hu. Thermal Shock Synthesis of Nanocatalyst by 3D‐Printed Miniaturized Reactors. Small : nano micro., 2020. DOI: 10.1002/smll.202000509
