上交大研究人員3D打印出“人造樹葉”：二氧化碳高效轉(zhuǎn)化成清潔燃料

來源：Regenovo

目前人類所使用的能源主要來源于不可再生化石燃料。近年來，化石燃料能源的過度消耗，由此帶來的能源枯竭危機和溫室效應(yīng)等問題，使得新型清潔能源的開發(fā)利用成為刻不容緩的需求。

自然界植物天然的光合作用，利用太陽光能，將空氣中的二氧化碳還原為有機物，具有很高的光能利用率。受這其啟發(fā)，科學研究者一直在嘗試模仿這種植物行為來生產(chǎn)新能源。

人們發(fā)現(xiàn)，在一定波段光照下，鈦基催化材料等光催化劑能夠?qū)⒍�氧化碳和水催化還原為一氧化碳與甲烷等燃料，并由此開發(fā)出了“人工光合作用”。不過，要利用這類鈦基光催化劑生產(chǎn)清潔能源，還存在許多困難。較為重要的一個問題是，傳統(tǒng)粉末狀催化劑不利于二氧化碳吸收與擴散，使其催化作用難以得到最大發(fā)揮。

研究者對這類催化劑進行了多種結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，希望賦予催化劑更加有利于氣體吸收和轉(zhuǎn)化的三維結(jié)構(gòu)。不過，要按照人們的需求，精確制備外部形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控的催化劑，采用傳統(tǒng)手段依然極難實現(xiàn)。

生物3D打印技術(shù)為解決催化劑制備問題提供了有效手段。最近，上海交通大學材料科學與工程學院教授范同祥研究團隊模仿天然葉片結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性地將鈦基催化劑打印成“人造樹葉”形狀，使其具有利于二氧化碳吸收和擴散的多尺度內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

范同祥教授帶領(lǐng)的課題組采用杭州捷諾飛生物科技股份有限公司自主研發(fā)的生物3D打印機（“Bioprinter”），制備的“人造樹葉”具有從納米級到厘米級的內(nèi)部孔洞和超高的比表面積，極大地提升了人工光合作用的轉(zhuǎn)化效率。

研究發(fā)現(xiàn)，天然植物葉片存在無數(shù)內(nèi)部貫通的微米級孔洞和通道，因而二氧化碳等氣體在葉片內(nèi)擴散毫無阻礙。生物3D打印對于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠精確控制，范同祥教授帶領(lǐng)的課題組借助這一優(yōu)勢，通過生物3D打印得到的鈦基催化劑，不僅外形類似樹葉，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔洞也類似天然葉片，具有微米級別孔徑可控的氣體通道（如圖1）。

圖1 （a-d）天然葉片結(jié)構(gòu)；（e-h）3D打印人工葉片結(jié)構(gòu)。

研究者詳細解釋了“人造樹葉”的打印過程：

• 利用特殊工藝，將鈦基催化劑的前體——二氧化鈦、表面活性劑以及致孔劑二氧化硅納米粒子等濃縮，得到流變性適合生物3D打印的“墨水”；
• 借助杭州捷諾飛生物生物3D打印機，能夠方便快速按需打印出人工葉片雛形；
• 而后經(jīng)過500℃焙燒，并進一步用氫氧化鉀刻蝕去除二氧化硅粒子，即得到納米、微米和厘米級孔洞并存的多尺度多孔催化劑支架（如圖2）。
  

圖2 3D打印“人造樹葉”過程示意圖（左）與用來打印的鈦基墨水（右）。

值得一提的是，由于多尺度孔結(jié)構(gòu)的存在，該鈦基催化劑支架最大比表面積竟達到了每克259平方米。

在催化劑支架表面沉積金和二氧化釕之后，便得到了具有光催化二氧化碳還原性能的人工光合作用催化劑，可以有效將二氧化碳和水還原為一氧化碳和甲烷。

研究者發(fā)現(xiàn)，這種“人造樹葉”的一氧化碳和甲烷產(chǎn)生速率分別達到了0.21和0.29 μmol/g/h，分別是相同組分粉末狀鈦基催化劑的2倍和6倍（如圖3）。

相比傳統(tǒng)的催化劑粉末，這種形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)可控、具有多尺度孔洞、高孔隙率、高比表面積的生物3D打印“人造樹葉”，極大提升了人工光合作用催化劑的催化效率，在清潔能源領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

圖3 3D打印“人造樹葉”與傳統(tǒng)粉末狀催化劑產(chǎn)生甲烷和一氧化碳的速率。

為了解釋催化效率提升的原因，研究者進一步通過計算機模擬研究了氣體在3D打印結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)粉末內(nèi)部擴散行為，發(fā)現(xiàn)3D打印葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠為二氧化碳的吸收和擴散提供類似于天然葉片般的低阻礙通路，使得二氧化碳吸附和擴散速率極大提高，這無疑有利于提升這種氣相催化過程的反應(yīng)速率（如圖4）。

圖4 計算機模擬二氧化碳在3D打印和粉末催化劑內(nèi)部的擴散。

該研究發(fā)表于期刊Chemistry of Materials。

論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acs.chemmater.7b04313

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