將二氧化碳（CO₂）排放轉化為有價值的三維（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略。

2024年12月4日，圣路易斯華盛頓大學焦鋒（Feng Jiao）教授、美國特拉華大學付堃（Kelvin Fu）助理教授在國際頂級期刊Nature Communications發表題為《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教授，英國皇家化學學會會士。2001年本科畢業于復旦大學，導師：Prof. Heyong He；2008年在University of St Andrews獲得博士學位，導師：Prof. Peter G. Bruce；在勞倫斯伯克利國家實驗室進行博士后研究；2010年加入特拉華大學；2023年入職圣路易斯華盛頓大學。

焦鋒教授致力于開發創新的電化學裝置，以應對關鍵的能源存儲和可持續發展挑戰，已發表100多篇研究論文。

付堃（Kelvin Fu），美國特拉華大學助理教授。博士畢業于美國北卡羅萊納州立大學。之后在馬里蘭大學和馬里蘭能源創新研究所擔任博士后研究員和助理研究科學家，現任職于美國特拉華大學。

目前的研究重點是跨多個長度尺度的材料、結構和設備的增材制造和加工，以解決能源、環境和健康方面的基本和實際問題。在Nature Materials等高質量期刊發表論文140余篇，總被引20000余次。

在這里，作者使用集成系統將CO₂電化學轉化為CO，然后通過熱催化過程合成碳納米管（CNT），最后將其3D打印成高密度碳納米復合材料。

研究人員將200平方厘米的電解槽與熱化學反應器集成在一起，穩定運行超過45小時，累計從CO₂中合成了37克CNT。

技術經濟分析表明，與當前基準相比，工業規模的CNT生產成本降低了90%，凸顯了該系統的商業可行性。

作者開發了一種3D打印工藝，可以實現高納米復合材料CNT濃度 (38?wt%)，同時通過CNT排列增強復合材料的結構屬性。隨著對碳納米復合材料需求的迅速增長，這種CO₂轉化為納米復合材料的過程可以對全球碳減排工作產生重大影響。

圖1：將CO₂轉化為有價值的材料

圖2：熱化學反應器和CO₂電解器性能

圖3：集成CO₂衍生CNT生產系統設置和性能

圖4：CNT/環氧樹脂復合材料的3D打印和后處理

圖5：CO₂衍生CNTs和碳復合材料的更廣泛影響

綜上，該論文介紹了一種將CO₂通過電化學和熱催化過程轉化為碳納米管（CNTs），進而3D打印成高密度碳納米復合材料的集成系統。

研究成功地展示了從CO₂到CNTs的轉化過程，并在實驗室規模上實現了37克CNTs的合成，同時通過技術經濟分析表明，該系統在工業規模生產CNTs的成本比當前基準降低了90%，突顯了其商業潛力。

該研究提供了一種將CO₂轉化為有價值的碳基材料的新方法，這不僅有助于減少溫室氣體排放，還為碳納米復合材料的生產提供了一種成本效益更高的途徑。這一過程的環境和經濟效益顯著，對于推動可持續材料科學和氣候變化緩解技術具有重要意義。

未來這種CO₂轉化技術可以廣泛應用于建筑、交通和電子行業，作為結構加固、輕量化組件和電子設備的材料，同時對于實現全球碳排放減少目標具有潛在的實質性影響。

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