北卡羅來(lái)納州立大學(xué)開(kāi)發(fā)出3D 打印二氧化碳過(guò)濾器，捕獲效率達(dá)24%

2023年6月11日，南極熊獲悉，來(lái)自北卡羅來(lái)納州 (NC) 州立大學(xué)的研究人員展示了使用 3D 打印制造二氧化碳捕獲過(guò)濾器的可能性。據(jù)該大學(xué)稱(chēng)，研究人員打印了一種可以容納碳酸酐酶的水凝膠材料，這種酶可以加速將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽的反應(yīng)。研究結(jié)果表明，3D 打印可能是一種更快、更通用的過(guò)濾器設(shè)計(jì)方法。

圖片來(lái)源：Sen Zhang 和 Jialong Shen - 北卡羅來(lái)納州

這項(xiàng)研究以題為“Carbonic Anhydrase EnhancedUV-Crosslinked PEG-DA/PEO Extruded Hydrogel Flexible Filaments and DurableGrids for CO2 Capture/碳酸酐酶增強(qiáng)的紫外線交聯(lián) PEG-DA/PEO 擠出水凝膠柔性絲和用于 CO2 捕獲的耐用網(wǎng)格”的論文被在線發(fā)表在《Gels》期刊上上。合著者包括張森和方小萌。資金由北卡羅來(lái)納州立大學(xué)、諾和諾德基金會(huì)和可持續(xù)能源聯(lián)盟有限責(zé)任公司提供——美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的管理和運(yùn)營(yíng)承包商。

相關(guān)論文鏈接：https://www.mdpi.com/2310-2861/9/4/341

這項(xiàng)研究的主要作者、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)紡織工程、化學(xué)和科學(xué)助理研究教授沈佳龍說(shuō)：“3D打印使得制造過(guò)程變得更快、更精確。通過(guò)3D打印機(jī)和原材料，你就可以制造這種功能性材料。”

在這項(xiàng)研究中，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)威爾遜紡織學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種混合溶液，該溶液中含有兩種不同的有機(jī)化合物（混合制備的打印油墨）和一種稱(chēng)為碳酸酐酶的酶。然后，研究人員將水凝膠的線狀細(xì)絲打印成二維網(wǎng)格，同時(shí)在打印時(shí)用紫外線固化溶液。

△水凝膠料絲/網(wǎng)格制造裝置示意圖。

△PEG-DA/PEO（IPNH）互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)水凝膠的形成示意圖

△PEG-DA/PEO（IPNH）網(wǎng)格的擠出成形過(guò)程

△裝填有EG-DA/PEO（IPNH）填料的二氧化碳?xì)怏w過(guò)濾器測(cè)試：二氧化碳捕集效率（a）與NZCA劑量的關(guān)系；（b）在1032小時(shí)的連續(xù)溶劑再循環(huán)中的效率

沈教授說(shuō)：“我們配制的水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度足以進(jìn)行 3D 打印，并且還可以擠出成連續(xù)的細(xì)絲。我們?cè)O(shè)計(jì)背后的靈感來(lái)自人體自身的細(xì)胞組織，這些細(xì)胞將酶包裝在充滿液體的分隔空間中。這種環(huán)境有利于幫助酶發(fā)揮作用�！�

研究人員測(cè)試了材料的特性以觀測(cè)其彎曲和扭曲的程度，并研究了過(guò)濾器的碳捕獲性能。在一個(gè)小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器捕獲了氣體混合物中24% 的二氧化碳。雖然捕獲率低于他們?cè)谝郧暗脑O(shè)計(jì)中所達(dá)到的水平，但過(guò)濾器的直徑小于一英寸（約 2 厘米），并且可以做得更大并采用不同的模塊化形狀，以便將它們堆疊在一個(gè)高柱中。據(jù)報(bào)道，這將大幅提高捕獲效率。

沈教授說(shuō)：“為了獲得更高的捕獲率，我們需要使過(guò)濾器的直徑更大，或者將更多的過(guò)濾器堆疊在一起。我們認(rèn)為這不是問(wèn)題，我們只是是為了便于測(cè)試而進(jìn)行的小規(guī)模初步測(cè)試�！�

研究人員還測(cè)試了該材料的過(guò)濾耐久性，發(fā)現(xiàn)它在 1000 多個(gè)小時(shí)后仍保留了其初始碳捕獲性能的 52%。

這項(xiàng)研究的共同通訊作者、北卡羅來(lái)納州立大學(xué)紡織工程、化學(xué)和科學(xué)副教授 SonjaSalmon 說(shuō)：“這項(xiàng)工作仍處于早期階段，但我們的研究結(jié)果表明，有新的方法可以制造碳捕獲設(shè)備的材料，我們的工作為碳捕獲帶來(lái)了新的希望�！�