增材制造技术的进步推动了清洁技术的突破

《ACS Applied Engineering Materials》：Additive Manufacturing Advances Clean Technology Breakthroughs

增材制造（3D打印）通过分层堆积技术无废或少废生产复杂结构材料，在能源存储/转换、节能环保、材料创新等领域展现显著优势，推动电池电极、电解水装置、可降解抗菌材料等突破性应用。

　　

特刊

作为《ACS Applied Engineering Materials》特刊“用于能源和环境的增材制造”系列的一部分而出版。

增材制造（AM），通常被称为3D打印，在开发具有先进和新颖特性的材料方面发挥了重要作用。AM允许用户通过逐层堆积的方式构建3D物体，几乎不产生任何浪费。这与传统的减材制造方法形成对比，后者通过去除材料（如蚀刻、切割、研磨等）来创建物体。AM能够处理的材料种类不断增加，使其在各个科学和技术领域中的应用范围不断扩大。AM最具变革性的优势之一在于它能够制造出传统方法无法实现的复杂结构。这种制造以前不可能结构的的能力使得AM材料具备了突破现有极限的特性。在能源和环境相关领域，AM正在重塑材料与设备的设计、优化和部署方式。本期特刊《用于能源和环境的增材制造》展示了AM在储能/转换、节能、可持续性和安全性方面取得的最新研究成果。

随着全球能源需求的持续增长，高效生产和储存能源的挑战仍然至关重要。AM为重新思考能源材料和设备的设计提供了新的机遇，克服了在质量传递和热传递方面长期存在的障碍。正如本期特刊中的研究所示，Heinrich等人（10.1021/acsaenm.5c00728）探讨了使用AM制造的聚丙烯和不锈钢来控制水电解过程中的气泡形成和氧气析出。AM所实现的先进几何结构被用来调整局部流动特性，并结合表面功能化处理来改变气泡覆盖情况。分析表明，由于AM结构的影响，气泡覆盖率可显著变化（最高可达500%）。Clemens等人（10.1021/acsaenm.4c00561）研究了多种有序晶格电极，以确定减少连续流动电化学反应器（如流动电池）中热点或流体通道化的设计策略。传统的多孔电极（如碳毡）存在孔结构不均匀的问题，导致电流和反应物分布不均，并且无法有效平衡这些效率低下与液压效率低下的问题。利用AM，作者在受控条件下测试了多种电极属性和条件（如表面积、孔隙率、导电性、流速等）。通过对不同晶格结构（如八面体桁架、简单立方体等）的电流分布和流体传输进行模拟和实验验证，确定了哪些几何结构能实现最佳效率。除了电化学系统外，AM还在热塑性塑料（10.1021/acsaenm.5c00240）、可调液晶弹性体（10.1021/acsaenm.5c00176）、热电发电机（10.1021/acsaenm.5c00288）、自供电执行器（10.1021/acsaenm.5c00347）、耐更高激光能量的光学可控光阀（10.1021/acsaenm.4c00664）、功能梯度泡沫（10.1021/acsaenm.4c00764）以及由环境热能驱动的可重构天线（10.1021/acsaenm.4c00488）等领域推动了创新。在所有这些应用中，AM都是提高能源效率和降低成本的关键驱动力。

本期特刊中的几篇文章展示了AM在储能方面的优势。Cross等人（10.1021/acsaenm.4c00717）研究了不同电极设计对锂离子电池能量密度的影响。他们的结果表明，AM设计在高活性材料负载下优于传统平面结构，因为它们能够更均匀地利用电极并促进更高效的电荷传输。许多AM碳电极的一个主要挑战是在热解过程中控制收缩和变形。Griffin等人（10.1021/acsaenm.5c00297）提出了一种选择性激光烧结聚乙烯（PE）的方法，可以制造出在热解过程中收缩和变形较小的3D碳电极。PE前体的低成本使其成为电极制造的理想选择。Ferguson等人（10.1021/acsaenm.4c00716）报告了提高超级电容器AM电流收集器导电性的方法。除了电极外，研究人员还在使用AM制造其他电池组件。Ma等人（10.1021/acsaenm.4c00438）利用AM制造了具有不同孔径和形态的锂离子电池隔膜。这些AM隔膜比标准隔膜材料表现更好，展示了将3D设计引入储能设备的另一种方法。

尽管与传统减材制造方法相比，AM本质上更加环保（因为产生的废物更少），但仍有许多机会可以通过提高能源效率、实现循环利用、提高原料的可回收性以及减少对人类和环境的危害来进一步改善AM工艺的可持续性。Ferreira等人（10.1021/acsaenm.5c00233）开发了一种基于回收聚乳酸的高导电性可打印丝材，为需要导电性的应用提供了环保的AM原料。同样，Yost等人（10.1021/acsaenm.5c00405）报告了一种从回收和原始聚丙烯中生产AM兼容丝材的方法。此外，Oluwagbemiga等人（10.1021/acsaenm.5c0045510.1021/acsaenm.5c00287）和Bazzal等人（10.1021/acsaenm.4c00796）开发了AM兼容的能源材料，这些材料可以在无需人工处理和复杂加工的情况下生产复杂的爆炸物和火箭燃料。

总体而言，本期特刊中的研究展示了AM在能源和环境应用中的巨大潜力。贡献者的广泛专业知识反映了AM在研究、开发和商业化方面所具备的巨大潜力，这些方面将改变全球能源和环境挑战的解决方式。我们衷心希望，这期特刊不仅能够突出这些领域的最新进展，还能激发读者探索如何将AM整合到更广泛的材料和技术中，以开辟新的见解并克服当前的技术限制。