将二氧化碳（CO2）排放转化为有价值的三维（3D）打印碳基材料，为缓解气候变化和资源利用提供了一种变革性战略。
2024年12月4日，圣路易斯华盛顿大学焦锋（Feng Jiao）教授、美国特拉华大学付堃（Kelvin Fu）助理教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Transforming CO2 into advanced 3D printed carbon nanocomposites》的研究论文，Bradie S. Crandall、Matthew Naughton、Soyeon Park为论文共同第一作者，焦锋教授、付堃助理教授为论文共同通讯作者。
焦锋（Feng Jiao），圣路易斯华盛顿大学教授，英国皇家化学学会会士。2001年本科毕业于复旦大学，导师：Prof. Heyong He；2008年在University of St Andrews获得博士学位，导师：Prof. Peter G. Bruce；在劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究；2010年加入特拉华大学；2023年入职圣路易斯华盛顿大学。
焦锋教授致力于开发创新的电化学装置，以应对关键的能源存储和可持续发展挑战，已发表100多篇研究论文。
付堃（Kelvin Fu），美国特拉华大学助理教授。博士毕业于美国北卡罗莱纳州立大学。之后在马里兰大学和马里兰能源创新研究所担任博士后研究员和助理研究科学家，现任职于美国特拉华大学。
目前的研究重点是跨多个长度尺度的材料、结构和设备的增材制造和加工，以解决能源、环境和健康方面的基本和实际问题。在Nature Materials等高质量期刊发表论文140余篇，总被引20000余次。
在这里，作者使用集成系统将CO2电化学转化为CO，然后通过热催化过程合成碳纳米管（CNT），最后将其3D打印成高密度碳纳米复合材料。
研究人员将200平方厘米的电解槽与热化学反应器集成在一起，稳定运行超过45小时，累计从CO2中合成了37克CNT。
技术经济分析表明，与当前基准相比，工业规模的CNT生产成本降低了90%，凸显了该系统的商业可行性。
作者开发了一种3D打印工艺，可以实现高纳米复合材料CNT浓度 (38 wt%)，同时通过CNT排列增强复合材料的结构属性。随着对碳纳米复合材料需求的迅速增长，这种CO2转化为纳米复合材料的过程可以对全球碳减排工作产生重大影响。
图1：将CO2转化为有价值的材料
图2：热化学反应器和CO2电解器性能
图3：集成CO2衍生CNT生产系统设置和性能
图4：CNT/环氧树脂复合材料的3D打印和后处理
图5：CO2衍生CNTs和碳复合材料的更广泛影响
综上，该论文介绍了一种将CO2通过电化学和热催化过程转化为碳纳米管（CNTs），进而3D打印成高密度碳纳米复合材料的集成系统。
研究成功地展示了从CO2到CNTs的转化过程，并在实验室规模上实现了37克CNTs的合成，同时通过技术经济分析表明，该系统在工业规模生产CNTs的成本比当前基准降低了90%，突显了其商业潜力。
该研究提供了一种将CO2转化为有价值的碳基材料的新方法，这不仅有助于减少温室气体排放，还为碳纳米复合材料的生产提供了一种成本效益更高的途径。这一过程的环境和经济效益显著，对于推动可持续材料科学和气候变化缓解技术具有重要意义。
未来这种CO2转化技术可以广泛应用于建筑、交通和电子行业，作为结构加固、轻量化组件和电子设备的材料，同时对于实现全球碳排放减少目标具有潜在的实质性影响。
Crandall, B.S., Naughton, M., Park, S. et al. Transforming CO2 into advanced 3D printed carbon nanocomposites. Nat. Commun. 15, 10568 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54957-w.
