مفاعل سيريا هرمي للكيمياء الحرارية الشمسية

عندما يلتقي ضوء الشمس بـ "الإسفنجة الخزفية": كيف يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود ودورته 50 مرة دون "توقف"؟

خلفية البحث

يشبه أكسيد السيريوم المصنوع من مادة السيراميك (CeO₂) "إسفنجة أيون الأكسجين" الفعالة، والتي يمكنها إطلاق الأكسجين عند درجات حرارة عالية وامتصاص ذرات الأكسجين عند درجات حرارة منخفضة، وبالتالي تحطيم جزيئات ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون (CO) والأكسجين. يعد ثاني أكسيد الكربون مادة خام مهمة للوقود الاصطناعي.

ومع ذلك، لكي تعمل هذه "الإسفنجة" بكفاءة، يجب تصميم بنيتها الداخلية بعناية. يحتاج المفاعل المثالي إلى تلبية ثلاثة متطلبات تبدو متناقضة في نفس الوقت: السماح لضوء الشمس بالتألق (اختراق الضوء)، والسماح للغاز بالدخول والخروج بسرعة (نقل الغاز)، والسماح للحرارة الناتجة عن التفاعل بالانتقال بسرعة (نقل الحرارة). يمكن لطرق التصنيع التقليدية، مثل إضافة عوامل تشكيل المسام أو استخدام القوالب، أيضًا إنشاء هياكل مسامية، ولكنها غالبًا ما تشبه "النحت بالملمس"، مما يجعل من الصعب التحكم بدقة في حجم المسام وشكلها وتوزيعها، وتكون الهياكل المصنعة عرضة "للتعب" أو حتى الانهيار بعد مئات دورات الحرارة العالية.

الآن، توفر دراسة نشرت في Additive Manufacturing Frontiers حلاً أنيقًا لهذه المشكلة: تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لمعالجة الضوء الرقمي (DLP). لم ينجح الباحثون في طباعة سيراميك أكسيد السيريوم عالي الدقة فحسب، بل قاموا أيضًا ببناء بنية مسام مزدوجة النطاق ومتعددة المستويات بذكاء من "مسام كبيرة بحجم ملليمتر + مسام بحجم ميكرون" بداخلها، وما زالوا يحافظون على الأداء الممتاز والسلامة الهيكلية بعد 50 دورة قاسية شديدة الحرارة.

رسم تخطيطي لتدفق عملية الطباعة DLP لسيراميك أكسيد السيريوم المسامي متعدد المستويات. بدءًا من ملاط ​​السيراميك الذي يحتوي على نشا قابل للذوبان، فإنه يخضع لقولبة المعالجة بالضوء DLP وإزالة الشحوم الحرارية والتلبيد بدرجة حرارة عالية لتشكيل جسم سيراميكي بهيكل مسامي مزدوج النطاق.

الطرق

على الرغم من أن تقنية DLP يمكنها تحقيق دقة طباعة عالية للغاية (مستوى الميكرون)، إلا أنها تفرض متطلبات صارمة على الخصائص البصرية للمادة. يحتاج الملاط الخزفي المستخدم في الطباعة إلى المعالجة بسرعة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية، كما أن أكسيد السيريوم له معامل انكسار مرتفع جدًا. يعني مؤشر الانكسار العالي أن الضوء سوف ينتشر بقوة في الملاط، مما يتسبب في عدم قدرة ضوء الأشعة فوق البنفسجية على اختراق عمق الملاط. يتم المعالجة فقط على السطح، ومن الممكن أن تفشل الطباعة بسهولة.

ولتحقيق هذه الغاية، قام فريق البحث بتطوير ملاط مركب خاص. أضافوا النشا القابل للذوبان إلى مسحوق أكسيد السيريوم. تلعب هذه "المادة المضافة" ثلاثة أدوار رئيسية: 1. تضبط الخصائص الريولوجية: مما يسمح للملاط بالتدفق والضبط بسرعة أثناء الطباعة. 2. كعامل تشكيل المسام: سوف تتحلل حبيبات النشا بالكامل أثناء المعالجة اللاحقة بدرجة الحرارة العالية، مما يترك مسام بحجم ميكرون. 3. تقليل تشتت الضوء: يؤدي وجود النشا إلى تغيير الخصائص البصرية للملاط، مما يسهل معالجته عن طريق اختراق الأشعة فوق البنفسجية.

ومن خلال تحسين صيغة الملاط ومعلمات الطباعة، نجح فريق البحث في طباعة أجسام خضراء من أكسيد السيريوم باستخدام هياكل عظمية مجهرية بمقياس ملليمتر. هذه الثقوب التي يبلغ حجمها المليمتر هي "الطرق السريعة" المخصصة للضوء والغاز.

خصائص المعالجة الضوئية لملاط سيراميك أكسيد السيريوم بنسب مختلفة من النشا القابل للذوبان

الطباعة هي مجرد خطوة أولى، والسحر الحقيقي يحدث في عمليات "التحلل الحراري" و"التلبيد" اللاحقة.

في درجات الحرارة المرتفعة، ستتم أولاً إزالة الراتينج الحساس للضوء والنشا الموجود في الجسم الأخضر عن طريق الانحلال الحراري. يشكل اختفاء الراتينج هيكلًا عظميًا كبير المسام بحجم ملليمتر. بينما يترك تحلل النشا عددًا لا يحصى من المسام بحجم ميكرون على "جدران" المسام الكبيرة. بعد التلبيد بدرجة حرارة عالية، يتم ربط جزيئات السيراميك بإحكام، مما يمنح الهيكل قوة كافية.

وفي نهاية المطاف، فهي " إسفنجة " ذات بنية جيدة: حفرة كبيرة على نطاق مليمتر: شأنها شأن الركائز والممرات الثقيلة في المبنى، فإنها تكفل القوة الميكانيكية للهيكل وتوفر إمكانية الوصول إلى عمق سرعة انتقال الغاز بسرعة ودقيقة. مثل ثقوب الغاز الصغيرة في جدران الخلايا الإسفنجية وحدث رد الفعل )تحلل ثاني أكسيد الكربون( بصورة رئيسية على هذا السطح الضخم، مع وجود فتحات صغيرة توفر جزيئات الغاز بالعديد من " المصانع " ، مما يزيد كثيرا من معدل ردود الفعل.

وقد نجح هيكل التجويف المتعدد المستويات هذا على نطاقين في حل التوتر بين الضوء والهواء والحرارة وحقق أثر 1+1.

صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للبنية المجهرية لسيراميك أكسيد السيريوم المسامي الهرمي المطبوع بـ DLP. (أ -ج) أسطح العينات في مجموعات SS0 وSS37.5 وSS50؛ ( د - و ) المقاطع العرضية للعينات في مجموعات SS0 و SS37.5 و SS50.

النتائج

ومن أجل التحقق من الأداء الفعلي لهذه "الإسفنجة الخزفية"، أجرى الباحثون عليها اختبارات صارمة. لقد وضعوا العينة في مفاعل عالي الحرارة لمحاكاة دورة كيميائية حرارية شمسية حقيقية: 1. خطوة الاختزال (1400 درجة مئوية): عند درجة حرارة عالية، يطلق أكسيد السيريوم أكسجين شبكي ويتم تقليله بنفسه. 2. خطوة الأكسدة (900 درجة مئوية): خفض درجة الحرارة وإدخال غاز ثاني أكسيد الكربون. يتمتع أكسيد السيريوم المخفض بقدرة قوية على "سرقة الأكسجين". سوف ينتزع ذرة الأكسجين من جزيء ثاني أكسيد الكربون، ويختزلها إلى ثاني أكسيد الكربون، وفي الوقت نفسه يعيد أكسدة نفسه إلى CeO₂، مكملاً الدورة.

النتائج مثيرة: * إنتاجية عالية: في دورة واحدة، يمكن لكل جرام من سيراميك أكسيد السيريوم المطبوع أن ينتج 100.76 ميكرومول (حوالي 2.257 ملليلتر) من أول أكسيد الكربون. يتفوق هذا الأداء على العديد من المواد المماثلة المصنعة باستخدام الطرق التقليدية. * القوة العالية: تصل قوة ضغط العينة إلى 124.21 ± 9.49 ميجا باسكال، وهي أقوى من العديد من الصخور الطبيعية (مثل الحجر الجيري)، مما يثبت ثبات بنيتها. * عمر طويل جدًا: الأمر الأكثر أهمية هو أنه بعد تجربة 50 دورة حرارة شديدة متتالية من 1400 درجة مئوية إلى 900 درجة مئوية، لم تتعرض العينة لأي انهيار هيكلي فحسب، بل أظهر إنتاج ثاني أكسيد الكربون أيضًا عدم وجود أي تدهور تقريبًا، مما يدل على استقرار مذهل للدورة واستقرار ميكانيكي حراري.

نتائج اختبار الثبات الكيميائي الحراري لعينات أكسيد السيريوم تحت 50 دورة الأكسدة والاختزال: (أ) تغير كتلة العينة؛ (ب) اتجاه تغيير العينة خلال 50 دورة؛ (ج) نتائج XRD لهيكل أكسيد السيريوم؛ ( د – ط ) صور المجهر الإلكتروني المسح المقطعي بعد 0 و 10 و 20 و 30 و 40 و 50 دورة.

الخلاصة

وتكمن أهمية هذه الدراسة في أنها تجمع بنجاح بين التكنولوجيات المتقدمة للطباعة التي تستخدم ثلاثية الأبعاد وبين علوم مواد الطاقة، وفتح مسار جديد تماما ومصمم بدقة للمفاعلات الكيميائية الحرارية الشمسية ذات الأداء العالي. ولم نعد نقتصر على العمليات التقليدية، بل نحن قادرون على تصميم الهيكل الداخلي للمواد بدقة على المستويين الجزئي والكلي، على أساس الطلب على رد الفعل، مثل لبنات البناء.

وبطبيعة الحال، لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه من العينات المخبرية إلى "مصنع وقود ضوء الشمس" الذي يمكن استخدامه بالفعل. توفر هذه الدراسة مسارًا عمليًا. عندما يتم الجمع بين ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون و"إسفنجات" السيراميك المطبوعة ثلاثية الأبعاد بشكل مثالي، فإننا نقترب خطوة واحدة من إنتاج الوقود من ضوء الشمس.

معلومات الاقتباس الورقي:

ليان كيو، تشي إس، تشن واي، وآخرون. المعالجة الرقمية للضوء لسيراميك أكسيد السيريوم المسامي هرميًا لتقسيم ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الوقود [J]. حدود التصنيع الإضافي، 2026: 200299. DOI: 10.1016/j.amf.2026.200299.