Engineering of a 3D-Printed Hierarchically Channeled Solar Reactor for Thermochemical Fuel Production
本研究展示了一种通过利用体素优化的多孔结构以确保在超过1500°C的高温下实现均匀辐射吸收和结构稳定性，从而在热化学二氧化碳分解方面实现了创纪录的6.29%太阳能制燃料效率的3D打印分级通道氧化铈太阳能反应器。
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太阳能厨房：清洁燃料的配方
想象一个世界，在那里，阻碍我们获得清洁、无穷无尽的燃料来源的唯一障碍就是太阳本身。这并非科幻小说；这是“太阳能热化学”（solar thermochemistry）的前沿领域，这一科学领域将阳光视为一个超强力的烤箱。其基本理念非常简单：利用集中的太阳能来驱动化学反应，从而将空气和水转化为燃料。具体而言，科学家们正试图制造出“滴入式”（drop-in）燃料——即像航空煤油或汽油这样的液体燃料，它们可以直接注入现有的发动机中，而无需重建全球的基础设施。
为了实现这一点，他们需要一种特殊的成分：一种可以充当“化学海绵”的材料。这种海绵在极热时吸收来自二氧化碳（CO₂）或水（H₂O）的氧气，然后在稍微冷却时将其释放为有用的气体（如一氧化碳或氢气）。这场表演的主角是一种被称为“铈”（ceria，发音为“see-ree-ah”）的材料。可以将��于想象成一个微小的、耐热的机器人，它能够抓取氧原子，将其握住，并根据指令将其释放。然而，挑战在于如何建造一个足够热的“厨房”（反应器），使这个机器人能够快速工作，同时又要设计得巧妙，不至于让阳光只烧灼机器人的前端而导致后端冰冷且毫无用处。如果热量分布不均，整个过程就会变得缓慢且低效。
3D 打印的太阳能烤箱
在这项研究中，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的一个工程师团队决定建造一种全新的太阳能反应器，以解决这个热量扩散问题。他们没有使用标准的、杂乱无章的陶瓷泡沫（这种泡沫就像是一个到处孔径都一样的海绵），而是决定使用 3D 打印技术打印出一个定制设计的结构。他们将反应器视为一个高科技的、由太阳能驱动的压力锅。
该团队首先利用计算机模拟——本质上是一场虚拟的光线追踪游戏——来确定其铈“海绵”的完美形状。他们想要一种能让阳光深入材料内部、实现前后均匀加热，而不是仅仅灼伤表面的结构。最终的结果是一个“分级通道化”（hierarchically channeled）的设计。想象一下一叠砖块，底部的孔洞细小且紧密（以捕捉已经穿过的光线），而向顶部延伸时孔洞变得越来越宽大且开放（以让明亮的直射阳光进入）。这种通道尺寸的阶梯式变化确保了太阳能被吸收到整个材料的体积中，从而创造出更加均匀的温度。
为了制造这个结构，他们使用了名为“直接墨水书写”（Direct Ink Writing）的技术，这类似于使用一种由铈制成的特殊浓稠浆料进行 3D 打印。他们将反应器打印成 29 个独立的、自支撑的砖块，它们像拼图一样组合在一起。这种模块化设计至关重要，因为反应器会变得极其炎热——超过 1500°C（比高炉还要热）——这些砖块需要能够进行膨胀和收缩，而不会导致整个结构破裂。他们还用一层由氧化锆和氧化铝组成的双层隔热毯包裹了反应器，以将热量留在应有的位置。
结果：刷新效率纪录
该团队将他们的 3D 打印反应器带到了苏黎石联邦理工学院的一个大型太阳能模拟器前，该模拟器使用七盏强大的氙灯来模拟太阳能塔的强烈热量。他们对反应器进行了 44 个连续循环的测试：先加热以释放氧气，然后冷却以与二氧化碳发生反应。
结果令人印象深刻。反应器运行稳定，证明了 3D 打印的砖块能够承受极端高温以及反复加热和冷却循环带来的压力，而不会解体。当他们使用二氧化碳进行测试时，反应器将二氧化碳完全转化为一氧化碳（CO），具有完全的选择性，这意味着它没有产生任何多余的副产物。
最重要的是，团队测量了“太阳能-燃料”效率，即衡量多少太阳能实际转化为了燃料的得分。他们实现了 6.29±0.29% 的峰值效率。这是该特定类型太阳能燃料工艺有史以来测得的最高效率。研究人员指出，这一成功直接归功于他们的新设计：由于热量分布得非常均匀，更大比例的��于材料实际上是在参与制造燃料，而不是在寒冷处闲置或在热点处被浪费。
虽然目前的效率仍处于个位数水平，但作者指出，这是一个重大的进步。他们指出，如果能够捕获目前在冷却阶段损失的热量（使用储热系统），未来的效率有望跃升至 20% 以上。目前，他们已经证明了通过 3D 打印的分级通道化反应器，是实现阳光向清洁燃料构建模块转化的稳健且高效的方法。
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