研究人員通過3D打印將太陽光和空氣轉(zhuǎn)換為液體燃料

2023年1月2日，南極熊獲悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）宣布，它的工程師團隊在太陽能技術(shù)方面取得了重大突破。該團隊開發(fā)了一種獨特的技術(shù)，能夠利用陽光和空氣生產(chǎn)液體燃料。

△該效果圖展示了具有分層通道架構(gòu)的3D打印二氧化鈰結(jié)構(gòu)。集中的太陽輻射入射到分級結(jié)構(gòu)上，并驅(qū)動二氧化碳在陽光下分解成單獨的二氧化碳流和氧氣流

這一技術(shù)首次在2019年于蘇黎世市中心ETH機器實驗室的屋頂上，在真實環(huán)境中得到展示。研究人員強調(diào)，這些合成的太陽能燃料在燃燒過程中釋放的二氧化碳量與其生產(chǎn)過程中從空氣中捕獲的相同，因此是碳中和的。

技術(shù)的核心在于一個特殊的太陽能反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆置于集中陽光下，可達到高達1500攝氏度的溫度。這一反應(yīng)堆內(nèi)置有多孔的陶瓷結(jié)構(gòu)，由氧化鈰制成，用于進行熱化學(xué)循環(huán)，從而分解空氣中捕獲的水和二氧化碳。生成的合成氣——氫氣和一氧化碳的混合物，可進一步轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴燃料，例如煤油，用于航空動力。

△具有分層通道拓撲結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字圖像（右上角）和照片（側(cè)視圖和俯視圖）。太陽能反應(yīng)堆（右下角）包含一個由這些分級結(jié)構(gòu)組成的陣列，它們直接暴露在集中的太陽輻射下

ETH開發(fā)一種創(chuàng)新3D打印方法

以往所用的具有各向同性孔隙率的結(jié)構(gòu)存在缺點，即當(dāng)太陽輻射進入反應(yīng)器時會迅速衰減，導(dǎo)致內(nèi)部溫度不足以最大化燃料產(chǎn)量。然而，ETH的研究人員，包括來自復(fù)雜材料教授André Studart團隊和可再生能源載體教授Aldo Steinfeld團隊的成員，現(xiàn)已開發(fā)出一種創(chuàng)新的3D打印方法。這一方法能夠制造出具有復(fù)雜孔隙幾何形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)，有效提高太陽輻射在反應(yīng)堆內(nèi)部的傳輸效率。這項研究獲得了瑞士聯(lián)邦能源辦公室的資助。

新設(shè)計的分層有序結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出色。其通道和孔隙在陽光照射面處開放，并向反應(yīng)器的后部逐漸變窄，從而實現(xiàn)在整個結(jié)構(gòu)中均勻吸收集中太陽輻射。這種設(shè)計確保了整個多孔結(jié)構(gòu)都能達到1500°C的理想反應(yīng)溫度，從而顯著提高燃料產(chǎn)率。陶瓷結(jié)構(gòu)采用基于擠出的3D打印技術(shù)制造，使用專門開發(fā)的新型墨水，該墨水含有低粘度和高濃度的二氧化鈰顆粒，以最大化氧化還原活性材料的含量。

△更多的研究內(nèi)容可以在該團隊已發(fā)表的論文中找到，題目為“使用3D打印的分級通道二氧化鈰結(jié)構(gòu)進行太陽能驅(qū)動的CO2氧化還原分解”（傳送門）

研究人員還深入研究了輻射熱傳遞和熱化學(xué)反應(yīng)之間的復(fù)雜相互作用。他們證實，在相當(dāng)于1000個太陽的集中太陽輻射下，新的分層結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生比均勻結(jié)構(gòu)多兩倍的燃料。

該3D打印陶瓷結(jié)構(gòu)技術(shù)已獲得專利，并已被Synhelion公司獲得授權(quán)。Aldo Steinfeld教授表示：“這項技術(shù)有潛力顯著提高太陽能反應(yīng)堆的能源效率，從而提升可持續(xù)航空燃料的經(jīng)濟