研究人員通過(guò)3D打印將太陽(yáng)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(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能技術(shù)方面取得了重大突破。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的技術(shù)，能夠利用陽(yáng)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(yáng)輻射入射到分級(jí)結(jié)構(gòu)上,，并驅(qū)動(dòng)二氧化碳在陽(yáng)光下分解成單獨(dú)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(jī)器實(shí)驗(yàn)室的屋頂上,，在真實(shí)環(huán)境中得到展示。研究人員強(qiáng)調(diào),，這些合成的太陽(yáng)能燃料在燃燒過(guò)程中釋放的二氧化碳量與其生產(chǎn)過(guò)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(gè)特殊的太陽(yáng)能反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆置于集中陽(yáng)光下,，可達(dá)到高達(dá)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(jìn)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——?dú)錃夂鸵谎趸�碳的混合��,，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴燃料,，例如煤油，用于航空動(dòng)力,。

△具有分層通道拓?fù)浣Y(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(yáng)能反應(yīng)堆（右下角）包含一個(gè)由這些分級(jí)結(jié)構(gòu)組成的陣列，它們直接暴露在集中的太陽(yáng)輻射下

ETH開(kāi)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(diǎn),，即當(dāng)太陽(yáng)輻射進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)會(huì)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(lái)自復(fù)雜材料教授André Studart團(tuán)隊(duì)和可再生能源載體教授Aldo Steinfeld團(tuán)隊(duì)的成員，現(xiàn)已開(kāi)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(yáng)輻射在反應(yīng)堆內(nèi)部的傳輸效率。這項(xiàng)研究獲得了瑞士聯(lián)邦能源辦公室的資助,。

新設(shè)計(jì)的分層有序結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出色,。其通道和孔隙在陽(yáng)光照射面處開(kāi)放，并向反應(yīng)器的后部逐漸變窄,，從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)結(jié)構(gòu)中均勻吸收集中太陽(yáng)輻射,。這種設(shè)計(jì)確保了整個(gè)多孔結(jié)構(gòu)都能達(dá)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(mén)開(kāi)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?jī)?nèi)容可以在該團(tuán)隊(duì)已發(fā)表的論文中找到，題目為“使用3D打印的分級(jí)通道二氧化鈰結(jié)構(gòu)進(jìn)行太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的CO2氧化還原分解”（傳送門(mén)）

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(shí),，在相當(dāng)于1000個(gè)太陽(yáng)的集中太陽(yáng)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(xiàng)技術(shù)有潛力顯著提高太陽(yáng)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(jì)