北卡羅來納州立大學開發(fā)出3D 打印二氧化碳過濾器，捕獲效率達24%

2023年6月11日，南極熊獲悉，來自北卡羅來納州 (NC) 州立大學的研究人員展示了使用 3D 打印制造二氧化碳捕獲過濾器的可能性。據(jù)該大學稱，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、更通用的過濾器設(shè)計方法。

圖片來源：Sen Zhang 和 Jialong Shen - 北卡羅來納州

這項研究以題為“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。資金由北卡羅來納州立大學、諾和諾德基金會和可持續(xù)能源聯(lián)盟有限責任公司提供——美國能源部國家可再生能源實驗室的管理和運營承包商。

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

這項研究的主要作者、北卡羅來納州立大學紡織工程、化學和科學助理研究教授沈佳龍說：“3D打印使得制造過程變得更快、更精確。通過3D打印機和原材料，你就可以制造這種功能性材料�！�

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

△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)格的擠出成形過程

△裝填有EG-DA/PEO（IPNH）填料的二氧化碳氣體過濾器測試：二氧化碳捕集效率（a）與NZCA劑量的關(guān)系；（b）在1032小時的連續(xù)溶劑再循環(huán)中的效率

沈教授說：“我們配制的水凝膠的機械強度足以進行 3D 打印，并且還可以擠出成連續(xù)的細絲。我們設(shè)計背后的靈感來自人體自身的細胞組織，這些細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�！�

研究人員測試了材料的特性以觀測其彎曲和扭曲的程度，并研究了過濾器的碳捕獲性能。在一個小規(guī)模的實驗中，他們發(fā)現(xiàn)過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在以前的設(shè)計中所達到的水平，但過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高柱中。據(jù)報道，這將大幅提高捕獲效率。

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

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

這項研究的共同通訊作者、北卡羅來納州立大學紡織工程、化學和科學副教授 SonjaSalmon 說：“這項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了新的希望�！�