為了利用可再生能源日益豐富且成本低廉的優(yōu)勢，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL) 的科學(xué)家和工程師正在 3D 打印流通電極 (FTE)，這是用于將 CO 2和其他分子轉(zhuǎn)化為有用的電化學(xué)反應(yīng)器的核心組件產(chǎn)品。

正如《國家科學(xué)院院刊》發(fā)表的一篇論文所述，LLNL 工程師首次從石墨烯氣凝膠中 3D 打印碳 FTE(負(fù)責(zé)反應(yīng)器中反應(yīng)的多孔電極)。通過利用 3D 打印提供的設(shè)計自由，研究人員證明他們可以定制 FTE 中的流動，顯著改善傳質(zhì)——液體或氣體反應(yīng)物通過電極傳輸?shù)椒磻?yīng)表面。據(jù)研究人員稱，這項工作為將 3D 打印確立為流通電極的“可行、通用的快速原型制作方法”以及最大化反應(yīng)器性能的有希望的途徑打開了大門。

“在 LLNL，我們率先使用三維反應(yīng)器，精確控制局部反應(yīng)環(huán)境，”該論文的主要作者、LLNL工程師Victor Beck說。“新型高性能電極將成為下一代電化學(xué)反應(yīng)器架構(gòu)的重要組成部分。這一進步展示了我們?nèi)绾卫?3D 打印功能對電極結(jié)構(gòu)提供的控制來設(shè)計局部流體流動并誘導(dǎo)復(fù)雜的慣性流動模式從而提高反應(yīng)堆性能。”

通過 3D 打印，研究人員證明，通過控制電極的流動通道幾何形狀，他們可以優(yōu)化電化學(xué)反應(yīng)，同時最大限度地減少通過傳統(tǒng)方法制造的 FTE 中的權(quán)衡。FTE 中使用的典型材料是“無序”介質(zhì)，例如基于碳纖維的泡沫或氈，限制了對其微觀結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的機會。研究人員解釋說，雖然生產(chǎn)成本低廉，但隨機排列的材料會受到不均勻的流動和質(zhì)量傳輸分布的影響。

“通過 3D 打印碳?xì)饽z等先進材料，可以在不影響導(dǎo)電性和表面積等物理特性的情況下在這些材料中設(shè)計大孔網(wǎng)絡(luò)，”合著者 Swetha Chandrasekaran 說。

團隊報道的全職員工，通過直接的油墨寫入方法印刷在晶格結(jié)構(gòu)，增強的傳質(zhì)過先前報道的3D由1-2個數(shù)量級印刷的努力，并且在同水準(zhǔn)達(dá)到的性能與常規(guī)的材料。

因為商業(yè)上的可行性電化學(xué)反應(yīng)器，并廣泛采用依賴于實現(xiàn)更大程度的傳質(zhì)，研究人員說，在全職員工的能力，以工程師的流動將使該技術(shù)幫助解決全球能源危機的一個更具吸引力的選擇。改善3D印刷電極的性能和可預(yù)測性也使得它們適合用于高效率的電化學(xué)轉(zhuǎn)換器按比例放大的反應(yīng)器的使用。

“獲得過的電極幾何形狀的精細(xì)控制將使先進電化學(xué)反應(yīng)器的工程，這是不可能的前一代的電極材料，”共同作者安娜伊萬諾沃說。“工程師將能夠設(shè)計和針對特定進程優(yōu)化制造結(jié)構(gòu)。可能地，與制造技術(shù)的發(fā)展，三維印刷電極可以代替常規(guī)的無序電極，用于液體和氣體型反應(yīng)器”。

LLNL科學(xué)家和工程師目前正在研究利用電化學(xué)反應(yīng)器在一系列應(yīng)用中，包括將CO轉(zhuǎn)化2至有用的燃料和聚合物和電化學(xué)能量存儲，以使從碳-自由和可再生能源的電力的進一步部署。研究人員說，有希望的結(jié)果將使他們能夠迅速地探索設(shè)計的影響，電極結(jié)構(gòu)，無需昂貴的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。

LLNL 正在進行工作，以通過基于光的 3D 聚合物打印技術(shù)(例如投影微立體光刻和雙光子光刻，通過金屬化流動)以更高分辨率生產(chǎn)更堅固的電極和反應(yīng)器組件。該團隊還將利用高性能計算來設(shè)計性能更好的結(jié)構(gòu)，并繼續(xù)在更大、更復(fù)雜的反應(yīng)器和全電化學(xué)電池中部署 3D 打印電極。