PμSL微纳3D打印技术在能源领域的进展

发布日期：2024-02-23

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随着世界进入一个供应链弹性和可持续性的新时代，国际能源格局发生重大变化。能源系统正在从化石能源绝对主导向低碳多能融合方向转变，这一变革推动了能源科技和产业的国际竞争，并催生了新的产业和业态。同时，能源技术开发的最新动态也预示着未来全球能源发展趋势。

能源领域的增材制造：市场分析与预测

在当前的全球科技与产业竞争中，世界各国都将能源技术视为关键的突破口，全力推动新一轮科技革命和产业革命。其中能源生产系统非常复杂多样，而3D打印技术在小批量产品快速制造、复杂零部件制造领域颇具优势，可以生产加工出极其精密的关键部件。

根据Additive Manufacturing (AM) Research最新发布的报告，到2032年，能源领域的增材制造市场预计将高达170亿美元。该报告深入研究了3D打印在石油与天然气、核能以及可再生能源等能源领域的应用，并预测到2024年，整个能源领域的增材制造收入将达到33亿美元。

微纳3D打印技术在新能源领域的应用

随着全球供应链进入一个更加灵活和可持续的新阶段，新能源领域对3D打印技术的需求显著增加，让我们来看一看具体有哪些方面的应用。

1、有序多孔结构的催化剂

来自复旦大学的团队成功制备了一系列高效、低成本的周期性三维结构催化剂。基于精细的三维结构来优化催化剂的比表面积和气泡传输功能，与无序泡沫结构相比，所制的整体式催化剂在298和318 K下的催化性能分别提高了2.3和1.6倍，且理化特性不发生改变；以及产氢速率分别为2548和3885 mL gcat-1min-1。该研究结果为构建高效整体式催化剂开辟了新的思路。

该团队使用采用摩方精密microArch®S240（精度：10 μm）3D打印设备，制备有序多孔结构的催化剂基底。基于这种制备策略，有助开发高活性的整体式催化剂，用于各类气体生成的非均相催化过程中。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c00545

2、金属微点阵助力高性能锌离子电池

湖南大学段辉高教授、张冠华副教授、张夏楠等人突破传统锌负极优化策略，提出“多功能3D结构电极”新思路，借助跨尺度高精度3D打印技术（nanoArch® P140，精度：10μm）和化学沉积/电沉积技术成功实现结构功能一体化锌负极的可靠制造。

此外，由3D Ni-Zn微点阵负极和聚苯胺插层的氧化钒正极组装而成的全电池表现出了优异的电化学性能。这种具有有序3D通孔结构的导电金属微点阵为开发其它高性能金属(如Li,Na, K, Mg, Al)电池提供了新的思路。

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202003927

3、三维功能化水凝胶器件

哈利法大学的张铁军教授团队提出了一种新型的三维功能化水凝胶器件制备方法。该团队利用摩方精密nanoArch® S130（精度：2μm)设备实现了水凝胶的高精度3D打印，并将金属盐离子引入到水凝胶单体混合物p(NIPAm-co-PEGDA)中，最终获得具有高吸光性能的含氧化铁纳米颗粒 (Fe3O4NPs)水凝胶太阳能蒸发器。

该制备方法成功解决了3D打印复合材料中的多重问题，例如不均匀的颗粒分布、团聚、固化光的散射及其带来的打印质量和分辨率恶化。利用该方法制成的复合水凝胶结构表现出了优异的光吸收性能和快速毛细力水传输性能，在非聚光情况下实现了5.12kgm-2h-1的超高水蒸发率。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200682

4、3D打印仿生太阳能蒸发器

湖南大学王兆龙课题组利用面投影微立体光刻技术（nanoArch® P140，精度：10μm）制备了仿生微通道及水凝胶蒸发器样品。在经过处理后，形成了富含碳纳米颗粒的多孔水凝胶网络结构及仿生微通道的复合蒸发器结构。在毛细力的作用下，液体会从微通道底部输运到水凝胶网络中，在太阳光的照射下水凝胶在碳纳米颗粒的光热作用下迅速升温而将水快速蒸发，最终实现太阳能蒸发器吸水和蒸发的动态平衡。