將二氧化碳（CO₂）排放轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的三維（3D）打印碳基材料，為緩解氣候變化和資源利用提供了一種變革性戰(zhàn)略。

2024年12月4日，圣路易斯華盛頓大學(xué)焦鋒（Feng Jiao）教授、美國(guó)特拉華大學(xué)付堃（Kelvin Fu）助理教授在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications發(fā)表題為《Transforming CO₂ into advanced 3D printed carbon nanocomposites》的研究論文，Bradie S. Crandall、Matthew Naughton、Soyeon Park為論文共同第一作者，焦鋒教授、付堃助理教授為論文共同通訊作者。

焦鋒（Feng Jiao），圣路易斯華盛頓大學(xué)教授，英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士。2001年本科畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，導(dǎo)師：Prof. Heyong He；2008年在University of St Andrews獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師：Prof. Peter G. Bruce；在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后研究；2010年加入特拉華大學(xué)；2023年入職圣路易斯華盛頓大學(xué)。

焦鋒教授致力于開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的電化學(xué)裝置，以應(yīng)對(duì)關(guān)鍵的能源存儲(chǔ)和可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)，已發(fā)表100多篇研究論文。

付堃（Kelvin Fu），美國(guó)特拉華大學(xué)助理教授。博士畢業(yè)于美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)。之后在馬里蘭大學(xué)和馬里蘭能源創(chuàng)新研究所擔(dān)任博士后研究員和助理研究科學(xué)家，現(xiàn)任職于美國(guó)特拉華大學(xué)。

目前的研究重點(diǎn)是跨多個(gè)長(zhǎng)度尺度的材料、結(jié)構(gòu)和設(shè)備的增材制造和加工，以解決能源、環(huán)境和健康方面的基本和實(shí)際問(wèn)題。在Nature Materials等高質(zhì)量期刊發(fā)表論文140余篇，總被引20000余次。

在這里，作者使用集成系統(tǒng)將CO₂電化學(xué)轉(zhuǎn)化為CO，然后通過(guò)熱催化過(guò)程合成碳納米管（CNT），最后將其3D打印成高密度碳納米復(fù)合材料。

研究人員將200平方厘米的電解槽與熱化學(xué)反應(yīng)器集成在一起，穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)45小時(shí)，累計(jì)從CO₂中合成了37克CNT。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，與當(dāng)前基準(zhǔn)相比，工業(yè)規(guī)模的CNT生產(chǎn)成本降低了90%，凸顯了該系統(tǒng)的商業(yè)可行性。

作者開(kāi)發(fā)了一種3D打印工藝，可以實(shí)現(xiàn)高納米復(fù)合材料CNT濃度 (38?wt%)，同時(shí)通過(guò)CNT排列增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)屬性。隨著對(duì)碳納米復(fù)合材料需求的迅速增長(zhǎng)，這種CO₂轉(zhuǎn)化為納米復(fù)合材料的過(guò)程可以對(duì)全球碳減排工作產(chǎn)生重大影響。

圖1：將CO₂轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的材料

圖2：熱化學(xué)反應(yīng)器和CO₂電解器性能

圖3：集成CO₂衍生CNT生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)置和性能

圖4：CNT/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的3D打印和后處理

圖5：CO₂衍生CNTs和碳復(fù)合材料的更廣泛影響

綜上，該論文介紹了一種將CO₂通過(guò)電化學(xué)和熱催化過(guò)程轉(zhuǎn)化為碳納米管（CNTs），進(jìn)而3D打印成高密度碳納米復(fù)合材料的集成系統(tǒng)。

研究成功地展示了從CO₂到CNTs的轉(zhuǎn)化過(guò)程，并在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上實(shí)現(xiàn)了37克CNTs的合成，同時(shí)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，該系統(tǒng)在工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)CNTs的成本比當(dāng)前基準(zhǔn)降低了90%，突顯了其商業(yè)潛力。

該研究提供了一種將CO₂轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的碳基材料的新方法，這不僅有助于減少溫室氣體排放，還為碳納米復(fù)合材料的生產(chǎn)提供了一種成本效益更高的途徑。這一過(guò)程的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益顯著，對(duì)于推動(dòng)可持續(xù)材料科學(xué)和氣候變化緩解技術(shù)具有重要意義。

未來(lái)這種CO₂轉(zhuǎn)化技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于建筑、交通和電子行業(yè)，作為結(jié)構(gòu)加固、輕量化組件和電子設(shè)備的材料，同時(shí)對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球碳排放減少目標(biāo)具有潛在的實(shí)質(zhì)性影響。

Crandall, B.S., Naughton, M., Park, S.?et al.?Transforming CO₂?into advanced 3D printed carbon nanocomposites.?Nat. Commun.?