绿色3D打印电化学传感器的全流程可持续制造与应用研究

《Green Analytical Chemistry》：Green 3D-Printed Electrochemical Sensors: From Construction to Use

本刊推荐：为解决3D打印电化学传感器单次使用导致的塑料/化学污染问题，研究团队系统探索了从构建到使用的全流程绿色化方案。通过0%填充度设计、银线热嵌入连接、海水电化学活化及闭环回收策略，显著降低了CB/PLA耗材与银环氧树脂的使用，使Eco-Scale评分从61提升至85，为可持续电化学检测技术开发提供了新范式。

　　

在当今科技领域，3D打印技术正以前所未有的速度改变着制造业的面貌，尤其是在电化学传感器的制备方面展现出巨大潜力。然而，光鲜背后隐藏着严峻的环境挑战——大多数3D打印电极设计为单次使用，导致大量的塑料废弃物和有毒化学物质积累。聚乳酸（PLA）作为最常用的生物可降解材料，在理想条件下也需要近10年才能完全降解，而在自然环境中这一过程可能延长至100年。更不用说制造过程中使用的银环氧树脂等材料对水生生物的毒性威胁。尽管已有研究尝试从某个环节改进，但缺乏对"从摇篮到坟墓"全生命周期的系统性绿色解决方案。

正是在这样的背景下，来自英国布莱顿大学的研究团队在《Green Analytical Chemistry》上发表了创新性研究成果。他们首次将绿色化学原则贯穿于3D打印电化学传感器的每个环节：从电极设计、电学连接到活化处理，再到使用后的回收利用，建立了一套完整的可持续发展方案。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过熔融沉积成型（FFF）技术打印不同填充度的碳黑/聚乳酸（CB/PLA）电极；使用循环伏安法（CV）和外层氧化还原探针（FcMeOH）评估电极性能；利用电化学阻抗谱（EIS）分析界面电荷转移电阻；采用红外光谱（IR）表征电极表面化学变化；并建立闭环回收系统，通过挤出机将使用后的电极重新制备成打印 filament。

3.1. 打印电极时减少塑料使用

研究人员发现，0%填充度的电极不仅比100%填充度电极减少39%的塑料使用量，还显示出更高的阳极电流和更低的欧姆电阻。直径≤7毫米的电极即使完全中空也能保持结构完整性，这得益于外层打印线足以支撑顶部层。更重要的是，电解质和氧化还原探针并未渗入电极内部空腔，表明性能提升源于导电通路的优化而非表面积增加。

3.2. 探索绿色电学连接策略

传统的银环氧树脂连接法被直接热嵌入银线所取代。有趣的是，将银线嵌入电极内部空腔的方法比外部连接表现出更优的导电性和更低的电荷转移电阻。这种"由内而外"的连接方式缩短了电学连接点与溶液界面的距离，显著降低了接触电阻。

3.3. CB/PLA电极的绿色活化

海水作为氢氧化钠（NaOH）的绿色替代品，在电极活化方面表现出同等效能。研究发现，海水的髙电导率促进了电极界面pH值的显著变化，从而有效去除表面PLA绝缘层。红外光谱证实，海水活化后的电极表面出现了羟基（OH）和羰基（C=O）特征峰，与NaOH活化效果相当。

3.4. 优化人工海水用于CB/PLA电极的活化

人工海水在活化效果上与天然海水相当，且最佳活化时间为600秒（正负电压各300秒）。该方法能耗极低，仅需约0.045焦耳，比CO₂激光活化法节能约300倍。

3.5. 建立3D打印电化学传感器的闭环系统

研究团队设计了一套完整的循环利用方案：银线可重复使用10次以上而性能保持稳定；使用后的电极经挤出再生后，其打印的电极虽接触电阻略有增加，但电流响应与商用filament相当。模块化的3D打印电化学池设计进一步支持了设备的重复利用。

通过Eco-Scale评估工具的系统分析，新方法的综合评分达到85分（优秀级别），远高于传统方法的61分（可接受级别）。这一提升主要归功于银环氧树脂的淘汰、NaOH的替代以及废弃物的大幅减少。

这项研究的突破性意义在于，它首次提供了3D打印电化学传感器全生命周期的绿色解决方案。不仅每个环节都经过科学验证和优化，更重要的是建立了可实际应用的闭环系统。该方法在保持分析性能的同时，将环境影响降至最低，为分析化学领域的可持续发展树立了新标杆。随着3D打印技术在传感领域的广泛应用，这种"绿色设计"理念有望引领新一轮的技术革新，推动分析仪器向环境友好型方向发展。