研究人员通过3D打印将太阳光和空气转换为液体燃料

2023年1月2日，南极熊获悉，苏黎世联邦理工学院（ETH）宣布，它的工程师团队在太阳能技术方面取得了重大突破。该团队开发了一种独特的技术，能够利用阳光和空气生产液体燃料。

△该效果图展示了具有分层通道架构的3D打印二氧化铈结构。集中的太阳辐射入射到分级结构上，并驱动二氧化碳在阳光下分解成单独的二氧化碳流和氧气流

这一技术首次在2019年于苏黎世市中心ETH机器实验室的屋顶上，在真实环境中得到展示。研究人员强调，这些合成的太阳能燃料在燃烧过程中释放的二氧化碳量与其生产过程中从空气中捕获的相同，因此是碳中和的。
技术的核心在于一个特殊的太阳能反应堆，该反应堆置于集中阳光下，可达到高达1500摄氏度的温度。这一反应堆内置有多孔的陶瓷结构，由氧化铈制成，用于进行热化学循环，从而分解空气中捕获的水和二氧化碳。生成的合成气——氢气和一氧化碳的混合物，可进一步转化为液态烃燃料，例如煤油，用于航空动力。

△具有分层通道拓扑结构的多孔陶瓷结构的三维数字图像（右上角）和照片（侧视图和俯视图）。太阳能反应堆（右下角）包含一个由这些分级结构组成的阵列，它们直接暴露在集中的太阳辐射下

ETH开发一种创新3D打印方法

以往所用的具有各向同性孔隙率的结构存在缺点，即当太阳辐射进入反应器时会迅速衰减，导致内部温度不足以最大化燃料产量。然而，ETH的研究人员，包括来自复杂材料教授André Studart团队和可再生能源载体教授Aldo Steinfeld团队的成员，现已开发出一种创新的3D打印方法。这一方法能够制造出具有复杂孔隙几何形状的陶瓷结构，有效提高太阳辐射在反应堆内部的传输效率。这项研究获得了瑞士联邦能源办公室的资助。

新设计的分层有序结构表现出色。其通道和孔隙在阳光照射面处开放，并向反应器的后部逐渐变窄，从而实现在整个结构中均匀吸收集中太阳辐射。这种设计确保了整个多孔结构都能达到1500°C的理想反应温度，从而显著提高燃料产率。陶瓷结构采用基于挤出的3D打印技术制造，使用专门开发的新型墨水，该墨水含有低粘度和高浓度的二氧化铈颗粒，以最大化氧化还原活性材料的含量。

△更多的研究内容可以在该团队已发表的论文中找到，题目为“使用3D打印的分级通道二氧化铈结构进行太阳能驱动的CO2氧化还原分解”（传送门）

研究人员还深入研究了辐射热传递和热化学反应之间的复杂相互作用。他们证实，在相当于1000个太阳的集中太阳辐射下，新的分层结构能够产生比均匀结构多两倍的燃料。

该3D打印陶瓷结构技术已获得专利，并已被Synhelion公司获得授权。Aldo Steinfeld教授表示：“这项技术有潜力显著提高太阳能反应堆的能源效率，从而提升可持续航空燃料的经济