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2023年6月11日，南极熊获悉，来自北卡罗来纳州 (NC) 州立大学的研究人员展示了使用 3D 打印制造二氧化碳捕获过滤器的可能性。据该大学称，研究人员打印了一种可以容纳碳酸酐酶的水凝胶材料，这种酶可以加速将二氧化碳和水转化为碳酸氢盐的反应。研究结果表明，3D 打印可能是一种更快、更通用的过滤器设计方法。
图片来源：Sen Zhang 和 Jialong Shen - 北卡罗来纳州
这项研究以题为“Carbonic Anhydrase EnhancedUV-Crosslinked PEG-DA/PEO Extruded Hydrogel Flexible Filaments and DurableGrids for CO2 Capture/碳酸酐酶增强的紫外线交联 PEG-DA/PEO 挤出水凝胶柔性丝和用于 CO2 捕获的耐用网格”的论文被在线发表在《Gels》期刊上上。合著者包括张森和方小萌。资金由北卡罗来纳州立大学、诺和诺德基金会和可持续能源联盟有限责任公司提供——美国能源部国家可再生能源实验室的管理和运营承包商。
这项研究的主要作者、北卡罗来纳州立大学纺织工程、化学和科学助理研究教授沈佳龙说：“3D打印使得制造过程变得更快、更精确。通过3D打印机和原材料，你就可以制造这种功能性材料。”
在这项研究中，北卡罗来纳州立大学威尔逊纺织学院的研究人员开发了一种混合溶液，该溶液中含有两种不同的有机化合物（混合制备的打印油墨）和一种称为碳酸酐酶的酶。然后，研究人员将水凝胶的线状细丝打印成二维网格，同时在打印时用紫外线固化溶液。
△水凝胶料丝/网格制造装置示意图。
△PEG-DA/PEO（IPNH）互穿聚合物网络水凝胶的形成示意图
△PEG-DA/PEO（IPNH）网格的挤出成形过程
△装填有EG-DA/PEO（IPNH）填料的二氧化碳气体过滤器测试：二氧化碳捕集效率（a）与NZCA剂量的关系；（b）在1032小时的连续溶剂再循环中的效率
沈教授说：“我们配制的水凝胶的机械强度足以进行 3D 打印，并且还可以挤出成连续的细丝。我们设计背后的灵感来自人体自身的细胞组织，这些细胞将酶包装在充满液体的分隔空间中。这种环境有利于帮助酶发挥作用。”
研究人员测试了材料的特性以观测其弯曲和扭曲的程度，并研究了过滤器的碳捕获性能。在一个小规模的实验中，他们发现过滤器捕获了气体混合物中24% 的二氧化碳。虽然捕获率低于他们在以前的设计中所达到的水平，但过滤器的直径小于一英寸（约 2 厘米），并且可以做得更大并采用不同的模块化形状，以便将它们堆叠在一个高柱中。据报道，这将大幅提高捕获效率。
沈教授说：“为了获得更高的捕获率，我们需要使过滤器的直径更大，或者将更多的过滤器堆叠在一起。我们认为这不是问题，我们只是是为了便于测试而进行的小规模初步测试。”
研究人员还测试了该材料的过滤耐久性，发现它在 1000 多个小时后仍保留了其初始碳捕获性能的 52%。
这项研究的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学纺织工程、化学和科学副教授 SonjaSalmon 说：“这项工作仍处于早期阶段，但我们的研究结果表明，有新的方法可以制造碳捕获设备的材料，我们的工作为碳捕获带来了新的希望。”
