二氧化碳变复材飞机零件？Nature子刊的3D打印全链条创新

本文分享发布在Nature子刊整合二氧化碳催化转化、碳纳米管复合材料制造与3D打印及其效益分析的全链条创新研究。

注：本文虽包含AM易道原创内容，但主要内容选自学术研究。

在全球气候变化日益加剧的今天，大气中二氧化碳浓度的持续攀升已成为威胁地球生态平衡的关键问题。

AM易道在过去分享过Nature正刊发布的碳捕获材料的3D打印结合全新方向的畅想，但其碳捕获材料产量尚小，且3D打印可行性未经验证。

而今天的研究案例则是一种3D打印进行碳转化的新思路。

今天的分享研究是由华盛顿大学能源、环境与化学工程系Feng Jiao教授团队与特拉华大学机械工程系Kelvin Fu教授团队通力协作完成，刚刚发布于Nature Communications

一条从二氧化碳直接到3D打印碳纳米复合材料的全新工艺路线被首次打通，这意味着有害的温室气体有望转变为高性能的工程材料。

想象一下，我们每天排放的二氧化碳不再是环境负担，而是变成了飞机、汽车上的轻量化零部件，或者成为建筑物中的增强结构。通过一系列创新以及3D打印技术，正在变为现实。

研究团队开发的集成系统能在温和条件下将二氧化碳转化为碳纳米管，并通过精心设计的3D打印工艺，实现了含碳纳米管高达38%的高性能复合材料。

更令人振奋的是，这种方法有望将碳纳米管的生产成本降低90%，为其规模化应用扫清了经济障碍。

本文将详细解析这项技术创新的核心要素：

从电化学-热催化的协同转化机理，到3D打印工艺的精确控制，再到未来的市场应用前景。

让我们一起深入了解这项成果。

技术优势：从二氧化碳到碳纳米管

系统集成

研究团队开发的电化学-热催化反应器系统是核心。

如图1所示，研究团队开发的集成系统能够将二氧化碳首先电化学转化为一氧化碳，随后通过热催化过程合成碳纳米管（CNTs），最终3D打印成高密度碳纳米复合材料。

下文“CNT”出现次数较多，均代表碳纳米管。

这一过程不仅为碳减排提供了新思路，更开创了一条将环境治理与先进制造完美结合的创新路径。

正如图2所示，该系统的核心在于其独特的反应器设计和精确的工艺控制。

系统采用200平方厘米的电解槽组，配备银阴极和铱阳极，在温和条件下实现了二氧化碳到一氧化碳的高效转化。

特别值得关注的是，研究团队在图2(a-c)中详细展示了反应温度、氢气含量等关键参数对CNT产率的影响。

在550°C的适中温度下，结合精心优化的催化剂系统，实现了高达84%的CNT产率，生产速率达到惊人的2.9克每克催化剂每小时。

而图2(d-e)则展示了系统在200多小时的持续运行中保持了稳定的性能，这一成果对未来工业化应用具有重要意义。

反应机理

研究团队对反应机理进行了深入探索，发现了两条主要的反应路径。

如图2所示，在热催化反应器中，一氧化碳主要通过布多反应（Boudouard Reaction）转化为CNT：

2CO → C + CO2同时，还存在另一条辅助反应路径：

CO + H2 → C + H2O实验数据表明，当反应气氛中氢气含量超过10%时，CNT的产率会显著提升。

这一发现为提高系统效率提供了关键参数指导。研究团队通过使用普通钢丝绒作为催化剂，在550°C的温度下实现了约84%的CNT产率。

通过透射电子显微镜（TEM）观察发现，所产生的CNTs具有261(±24)纳米的外径和3.519(±1.531)微米的平均长度，这种尺寸特征为后续3D打印应用提供了理想的材料基础。

集成系统的工艺优化

如图3所示，团队成功实现了电化学反应器和热催化反应器的无缝集成。

200平方厘米的电解槽组采用了创新的流场设计：

阴极使用三重蛇形流道以最小化压降，阳极则采用平行流道设计以促进氧气气泡的有效排出。

特别值得一提的是，团队在45小时的连续运行中累计合成了37克CNTs，标志着该技术具备准工业化应用潜能。

碳纳米管的产品质量通过拉曼光谱分析表明，CO2衍生的CNTs具有71%的结晶度，这与商业CNTs的水平相当。

电子显微镜观察显示，产品具有清晰的管状结构和均匀的形貌，D带与G带的强度比表明产品具有理想的石墨化程度，这为后续的3D打印应用奠定了坚实的材料基础。

成本优势

AM易道认为，这项技术最具前景的地方在于其显著的成本优势。

根据研究团队的技术经济分析，通过进一步优化工艺参数，如将电池电压降至2.6V、提升电流密度至500 mA/cm²，CNT的生产成本有望从当前的100美元/千克降至6.0美元/千克。

这种显著的成本优势，为CNT的规模化应用创造了可能。

3D打印技术新应用：从材料到制造的全流程

在掌握了CO2转化为CNTs的核心技术后，如何将这种新型材料应用于3D打印成为了研究团队面临的下一个挑战。

通过深入的工艺开发，团队成功实现了从材料到制造的全流程创新。

材料配方设计

如图4(a-b)所示，研究团队开发出了一种创新的材料配方系统。

通过将CO2衍生的CNTs与聚乳酸（PLA）高效复合，成功制备出CNT含量高达40wt%的打印线材。

这一含量远超传统CNT复合材料（通常这种高含量的实现得益于团队在材料分散方面的创新：

• 采用二氯甲烷作为分散介质

• 添加聚乙二醇二甲醚（PEGDE 500）提升材料柔韧性

• 通过超声处理确保CNTs的均匀分散
  
  

打印工艺的精确控制

如图4(c-d)展示，团队开发的3D打印工艺具有显著特色。

在高剪切力作用下，约40%的CNTs能够在打印方向上实现定向排列，这种微观结构的定向控制为材料性能的提升奠定了基础。

更重要的是，打印件在600℃氮气气氛下的后处理过程中，仅产生约11%的收缩，这种尺寸稳定性对于高精度部件的制造至关重要。

卓越的综合性能

通过系统的性能表征，这种新型复合材料展现出不错的综合性能：

在力学性能方面，如图4(e)所示，材料在纵向方向表现出1.61±0.11 GPa的杨氏模量，较纯环氧树脂提升了约68%。

这种显著的性能提升源于CNTs的定向排列和高负载率。

在导热性能方面，如图4(f)所示，平行于打印方向的导热系数达到0.71 W/mK，较垂直方向提高了约87%。

这种各向异性的导热特性为散热部件的定向设计提供了新的可能。

在实际应用方面，如图4(g)所示，该材料系统展现出优异的工艺适应性，能够制造从蜂窝结构到复杂中空结构等多种形态的功能部件。

AM易道认为，这种设计自由度的提升将为轻量化结构设计带来新的机遇。

接下来的部分是本研究非常有意思的地方，很少能在纯科学/工程类学术文章中看到经济和产业效益分析，AM易道希望更多的研究者参考本研究的写作思路，做更多的经济与产业化思考。

重塑碳纳米管生产经济学

如图5(a)所示，这项创新技术正在从根本上重塑CNT的生产经济学。

传统的CNT生产主要依赖甲烷热解工艺，需要在900-1400℃的高温下进行，这导致目前市场价格高达100美元/千克。

而通过本研究开发的CO2转化路线，生产成本有望降至9.5美元/千克。

AM易道认为，这种近90%的成本降低将为CNT的规模化应用开启新篇章。

更值得关注的是，随着CO2电解技术的持续优化，特别是电池电压降低到2.6V、电流密度提升至500 mA/cm²后，CNT的生产成本有望进一步降至6.0美元/千克。

这种显著的经济性改善将从根本上改变碳纳米复合材料的市场格局。

复合材料市场的新机遇

图5(b)展示了2022年复合材料市场的收入构成，其中建筑行业贡献了约37.9%的份额，交通运输占25.6%，电子行业占16.2%。

这种市场结构为CO2衍生的碳纳米复合材料提供了巨大的发展空间。

特别是在建筑领域，如图5(c)所示，与传统的CO2矿化混凝土相比，碳纳米复合材料展现出显著优势。

它不仅能够实现更高的碳利用效率（高达38wt%），而且不会影响材料的力学性能。这种特性使其成为理想的碳封存材料选择。

环境效益的量化分析

图5(d)展示了这项技术在碳减排方面的潜力。

根据市场预测，到2050年，碳纳米复合材料市场规模将突破3.6万亿美元。如果CO2衍生的复合材料能够占据显著的市场份额，将有望实现千兆吨级的CO2减排。

值得注意的是，这种减排效益具有多重性：

• 直接减排：通过将CO2转化为有价值的材料
• 间接减排：通过轻量化应用降低终端产品的碳足迹
• 替代减排：减少传统高碳材料的使用

AM易道最后聊两句

这项将CO2转化为3D打印碳纳米复合材料的创新技术，不仅展现出显著的技术先进性，更开创了环境治理与智能制造融合发展的新模式。

通过电化学-热催化的协同作用，实现了CO2的高效转化；通过精心设计的3D打印工艺，将环境治理的产物转化为高性能工程材料。

从经济角度看，90%的成本降低将极大地促进碳纳米材料的普及应用，不仅仅是3D打印层面，而是所有领域的碳纳米管应用。

AM易道能想到的规模化生产的关键挑战比如有电解效率如何进一步提升；碳纳米管的形貌控制能否更精确；电解槽放大之后会不会带来一致性问题；亦或是大规模电热催化需要的系统集成难度提升。

但更重要的是，AM易道认为，这篇发表在Nature Communications上的研究工作展现出独特的魅力。

相比于之前Nature正刊聚焦于碳捕获材料本身的研究，这项工作展现了一条从材料创新到产品制造到产业思考的完整创新链条。

研究团队不仅解决了"能不能做"的科学问题，更回答了"值不值得做"的产业化问题。

特别值得一提的是，3D打印技术在这项研究中发挥了不可替代的作用。

它不仅是一种制造手段，更是连接材料创新与应用验证的关键桥梁。

通过3D打印，研究人员能够快速将新型材料转化为功能结构，实现从概念到实物的快速迭代。

这种快速验证能力，是传统制造技术难以企及的。

正是这种特性，让3D打印成为推动材料科学与工程应用融合发展的重要推手。

AM易道期待看到更多研究团队以此为范，开展从材料到应用的系统性创新研究，为应对全球性挑战贡献智慧与方案。

也许在不久的将来，当我们乘坐的“绿色零碳制造”飞机上搭载着由二氧化碳转化而来的轻量化碳纳米管复合材料3D打印零部件时，我们会想起这项研究工作带来的创新。

本文仅对这项研究做了框架性介绍。论文还包含了更多技术细节。

感兴趣的读者请根据查阅原文，深入了解精彩技术创新细节。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54957-w