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3D打印“人造树叶”:二氧化碳高效转化成清洁燃料2019-04-17

 

导读:

上海交通大学范同祥教授带领的课题组采用杭州捷诺飞生物科技股份有限公司自主研发的生物3D打印机,制备的“人造树叶”具有从纳米级到厘米级的内部孔洞和超高的比表面积,极大地提升了人工光合作用的转化效率,在清洁能源领域有着巨大的应用潜力。

 


 

目前人类所使用的能源主要来源于不可再生化石燃料。近年来,化石燃料能源的过度消耗,由此带来的能源枯竭危机和温室效应等问题,使得新型清洁能源的开发利用成为刻不容缓的需求。

自然界植物天然的光合作用,利用太阳光能,将空气中的二氧化碳还原为有机物,具有很高的光能利用率。受这其启发,科学研究者一直在尝试模仿这种植物行为来生产新能源。

人们发现,在一定波段光照下,钛基催化材料等光催化剂能够将二氧化碳和水催化还原为一氧化碳与甲烷等燃料,并由此开发出了“人工光合作用”。

不过,要利用这类钛基光催化剂生产清洁能源,还存在许多困难。较为重要的一个问题是,传统粉末状催化剂不利于二氧化碳吸收与扩散,使其催化作用难以得到最大发挥。

研究者对这类催化剂进行了多种结构上的优化,希望赋予催化剂更加有利于气体吸收和转化的三维结构。

不过,要按照人们的需求,精确制备外部形状与内部结构可控的催化剂,采用传统手段依然极难实现。

生物3D打印技术为解决催化剂制备问题提供了有效手段。

 

 

 

最近,上海交通大学材料科学与工程学院教授范同祥研究团队模仿天然叶片结构,创造性地将钛基催化剂打印成“人造树叶”形状,使其具有利于二氧化碳吸收和扩散的多尺度内部结构。

范同祥教授带领的课题组采用杭州捷诺飞生物科技股份有限公司自主研发的生物3D打印机(“Bioprinter”),制备的“人造树叶”具有从纳米级到厘米级的内部孔洞和超高的比表面积,极大地提升了人工光合作用的转化效率。

研究发现,天然植物叶片存在无数内部贯通的微米级孔洞和通道,因而二氧化碳等气体在叶片内扩散毫无阻碍。


图1 (a-d)天然叶片结构;(e-h)3D打印人工叶片结构。

 

生物3D打印对于材料内部结构能够精确控制,范同祥教授带领的课题组借助这一优势,通过生物3D打印得到的钛基催化剂,不仅外形类似树叶,其内部结构和孔洞也类似天然叶片,具有微米级别孔径可控的气体通道(如图1)。

 

 

 

研究者详细解释了“人造树叶”的打印过程:

利用特殊工艺,将钛基催化剂的前体——二氧化钛、表面活性剂以及致孔剂二氧化硅纳米粒子等浓缩,得到流变性适合生物3D打印的“墨水”;

借助杭州捷诺飞生物生物3D打印机,能够方便快速按需打印出人工叶片雏形;

而后经过500℃焙烧,并进一步用氢氧化钾刻蚀去除二氧化硅粒子,即得到纳米、微米和厘米级孔洞并存的多尺度多孔催化剂支架(如图2)。



图2 3D打印“人造树叶”过程示意图(左)与用来打印的钛基墨水(右)。


值得一提的是,由于多尺度孔结构的存在,该钛基催化剂支架最大比表面积竟达到了每克259平方米。

在催化剂支架表面沉积金和二氧化钌之后,便得到了具有光催化二氧化碳还原性能的人工光合作用催化剂,可以有效将二氧化碳和水还原为一氧化碳和甲烷。

 

 

 

研究者发现,这种“人造树叶”的一氧化碳和甲烷产生速率分别达到了0.21和0.29 μmol/g/h,分别是相同组分粉末状钛基催化剂的2倍和6倍(如图3)。

相比传统的催化剂粉末,这种形状与内部结构可控、具有多尺度孔洞、高孔隙率、高比表面积的生物3D打印“人造树叶”,极大提升了人工光合作用催化剂的催化效率,在清洁能源领域有着巨大的应用潜力。

 

图3 3D打印“人造树叶”与传统粉末状催化剂产生甲烷和一氧化碳的速率。

 

为了解释催化效率提升的原因,研究者进一步通过计算机模拟研究了气体在3D打印结构和传统粉末内部扩散行为,发现3D打印叶片的内部结构能够为二氧化碳的吸收和扩散提供类似于天然叶片般的低阻碍通路,使得二氧化碳吸附和扩散速率极大提高,这无疑有利于提升这种气相催化过程的反应速率(如图4)。



图4 计算机模拟二氧化碳在3D打印和粉末催化剂内部的扩散。

 

 



 

该研究发表于期刊Chemistry of Materials上。

论文链接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.chemmater.7b04313

 

 

 


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