微纳3D打印助力宽带光吸收陶瓷研发，赋能太阳能转化新赛道

随着聚光太阳能热发电、光催化水处理等前沿技术不断发展，开发集复杂精细构型、优异高温力学稳定性与良好光学性能于一体的陶瓷构件，已成为能源材料领域的重点研究课题。氧化铝陶瓷凭借耐高温、化学稳定性好、易实现增材制造等优势备受关注，但纯氧化铝本身光学惰性，太阳光吸收效率很低。因此，制备可实现陶瓷复杂胞元构筑、并通过后处理赋予其宽带光吸收能力的技术方案，是突破器件性能瓶颈的核心。

近期，阿联酋哈利法大学张铁军教授团队利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术制备三周期极小曲面（TPMS）氧化铝多孔胞元基体，TPMS结构自带大比表面积与曲折辐射通道，还可以强化内部对流换热，非常适配太阳能接收器、光催化反应器的工况要求。

研究团队创新开发烧结驱动型氧化物涂层工艺，在已经完成烧结的氧化铝多孔构件表面构建氧化铜、铁氧化物复合功能涂层，实现复杂多孔结构内部的均匀保形包覆，解决高比表面积胞元结构功能化改性的技术难点。该研究以“Broadband light-absorbing ceramic cellular structures fabricated by 3D printing and sintering with oxide coatings"为题发表在国际期刊《Ceramics International》上。

针对氧化铜涂层的制备，研究人员先在烧结氧化铝基体表面通过化学镀工艺沉积一层金属铜，后续分别采用热氧化、化学氧化两条工艺路线完成氧化铜转化。600℃空气热氧化得到厚度约90μm的涂层，由大量微米级团聚晶粒构成；90℃液相化学氧化生成厚度22μm的花状纳米针多级结构，丰富的孔隙结构进一步提升光子捕获能力。铁氧化物涂层则将基体浸入Fe₃O₄粉末与HDDA单体混合溶液，再经过1300℃空气高温热处理，实现Fe₃O₄部分氧化相变，得到Fe₃O₄与Fe₂O₃共存的复合涂层。借助SEM、XRD、拉曼光谱、EDS等多种表征手段，科研人员证实涂层物相纯净，和氧化铝基体界面结合牢固，不同工艺下涂层均可渗透覆盖到多孔结构的内部通道。

光学性能测试结果显示，未改性纯氧化铝基体的平均太阳能吸收率仅为16.72%，经过氧化物涂层改性后实现性能大幅跃升。化学氧化制备的氧化铜涂层平均吸收率可达83.16%，热氧化制备的氧化铜涂层吸收率达到80.85%，铁氧化物复合涂层也实现76.56%的宽带吸收效果。优异的光吸收性能一方面来自过渡金属氧化物本身在紫外‑可见‑近红外波段的本征吸收特性，另一方面多孔涂层内部的体积散射延长光传播路径，进一步强化光捕获。

团队还引入蒙特卡洛光线追踪MCRT仿真模拟，还原光子在涂层体系内的散射、吸收全过程，仿真结果和实验测试数据高度吻合，完整揭示微观形貌对宽带吸收性能的调控机制。

高温稳定性是太阳能吸热部件的核心指标，研究模拟器件实际运行条件开展10次1000℃热循环测试。热循环之后，热氧化制备的氧化铜涂层平均吸收率维持77.73%，化学氧化制备的氧化铜涂层保持78.98%；铁氧化物涂层由于制备温度高于测试温度，微观物相几乎没有变化，光学性能衰减微乎其微。热循环后所有涂层均没有出现开裂、剥落、脱层等失效现象，验证涂层与基体具备可靠界面结合力。除此之外，铁氧化物改性构件还展现出可观的光催化活性，在模拟太阳光条件下可有效降解亚甲基蓝染料，拓展了该类构件在污水处理领域的应用潜力。

区别于基体共混掺杂、喷涂镀膜等传统改性手段，该研究通过摩方精密microArch® S240（精度：10μm）打印实现复杂陶瓷结构成型，再通过高温后处理完成表面功能改性，既完整保留TPMS多孔结构的构型优势，又赋予材料优异光热、光催化性能，整套工艺具备向规模化制备拓展的潜力，后续还将针对涂层附着力定量评估、工艺技术经济性开展进一步探索。

总结：这项工作打通了微纳3D打印氧化铝陶瓷的表面功能化路径，把原本光学惰性的多孔陶瓷转化为高性能光功能器件，为下一代聚光太阳能接收器、太阳能驱动光催化反应器的研发提供了全新的解决方案，也充分展现微纳3D打印技术在能源新材料研发中的赋能价值。