研究人員通過3D打印將太陽光和空氣轉換為液體燃料
時間：2024-01-03 09:36 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2023年1月2日，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）宣布，它的工程師團隊在太陽能技術方面取得了重大突破。該團隊開發(fā)了一種獨特的技術，能夠利用陽光和空氣生產液體燃料。
這一技術首次在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，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過程中從空氣中捕獲的相同，因此是碳中和的。
技術的核心在于一個特殊的太陽能反應堆，該反應堆置于集中陽光下，可達到高達1500攝氏度的溫度。這一反應堆內置有多孔的陶瓷結構，由氧化鈰制成，用于進行熱化學循環(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，可進一步轉化為液態(tài)烴燃料，例如煤油，用于航空動力。
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構存在缺點，即當太陽輻射進入反應器時會迅速衰減，導致內部溫度不足以最大化燃料產量。然而，ETH的研究人員，包括來自復雜材料教授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雜孔隙幾何形狀的陶瓷結構，有效提高太陽輻射在反應堆內部的傳輸效率。這項研究獲得了瑞士聯(lián)邦能源辦公室的資助。
新設計的分層有序結構表現(xiàn)出色。其通道和孔隙在陽光照射面處開放，并向反應器的后部逐漸變窄，從而實現(xiàn)在整個結構中均勻吸收集中太陽輻射。這種設計確保了整個多孔結構都能達到1500°C的理想反應溫度，從而顯著提高燃料產率。陶瓷結構采用基于擠出的3D打印技術制造，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。
研究人員還深入研究了輻射熱傳遞和熱化學反應之間的復雜相互作用。他們證實，在相當于1000個太陽的集中太陽輻射下，新的分層結構能夠產生比均勻結構多兩倍的燃料。
該3D打印陶瓷結構技術已獲得專利，并已被Synhelion公司獲得授權。Aldo Steinfeld教授表示：“這項技術有潛力顯著提高太陽能反應堆的能源效率，從而提升可持續(xù)航空燃料的經濟
△該效果圖展示了具有分層通道架構的3D打印二氧化鈰結構。集中的太陽輻射入射到分級結構上，并驅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，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過程中從空氣中捕獲的相同，因此是碳中和的。
技術的核心在于一個特殊的太陽能反應堆，該反應堆置于集中陽光下，可達到高達1500攝氏度的溫度。這一反應堆內置有多孔的陶瓷結構，由氧化鈰制成，用于進行熱化學循環(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構的多孔陶瓷結構的三維數(shù)字圖像（右上角）和照片（側視圖和俯視圖）。太陽能反應堆（右下角）包含一個由這些分級結構組成的陣列，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構存在缺點，即當太陽輻射進入反應器時會迅速衰減，導致內部溫度不足以最大化燃料產量。然而，ETH的研究人員，包括來自復雜材料教授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雜孔隙幾何形狀的陶瓷結構，有效提高太陽輻射在反應堆內部的傳輸效率。這項研究獲得了瑞士聯(lián)邦能源辦公室的資助。
新設計的分層有序結構表現(xiàn)出色。其通道和孔隙在陽光照射面處開放，并向反應器的后部逐漸變窄，從而實現(xiàn)在整個結構中均勻吸收集中太陽輻射。這種設計確保了整個多孔結構都能達到1500°C的理想反應溫度，從而顯著提高燃料產率。陶瓷結構采用基于擠出的3D打印技術制造，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構進行太陽能驅動的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反應之間的復雜相互作用。他們證實，在相當于1000個太陽的集中太陽輻射下，新的分層結構能夠產生比均勻結構多兩倍的燃料。
該3D打印陶瓷結構技術已獲得專利，并已被Synhelion公司獲得授權。Aldo Steinfeld教授表示：“這項技術有潛力顯著提高太陽能反應堆的能源效率，從而提升可持續(xù)航空燃料的經濟
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