神奇的3D打印｜可優(yōu)化電化學反應器的貫穿式電極

來源：江蘇激光聯(lián)盟

可再生能源炙手可熱，恰似明日之星。如何使可再生能源效用優(yōu)化，3D打印作為流通電極的可行的、通用的“速成法”，最大限度提高反應器性能的一種途徑，正發(fā)揮著重要作用！勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室LLNL的科學家和工程師們利用3D打印電極(FTEs)，將CO2和其他分子轉化為優(yōu)質產(chǎn)品電化學反應器的核心組件。

3D打印技術作為近年來新興的一種革命性產(chǎn)業(yè)技術，呈現(xiàn)出的快速增長趨勢令各行各業(yè)始料未及，在醫(yī)療、環(huán)保等行業(yè)也有了眾多可喜的應用。3D打印或可為可再生能源發(fā)展獻上一劑”良方“。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的工程師們首次從石墨烯氣凝膠中獲得了3D打印的貫穿式電極(flow-through electrodes - FTEs)——負責反應器中反應的多孔電極。通過3D打印，研究人員證明他們可以“定制”流動，大大改善液體或氣體反應物通過電極并傳輸至反應表面的傳質。圖片由勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）所提供。

LLNL工程師Victor Beck說：“我們正探索使用三維反應器，精確控制局部反應環(huán)境。新型高性能電極將是下一代電化學反應器架構的重要組成部分。我們可以利用3D打印對電極結構的控制功能來設計局部流動，形成復雜的慣性流動模式，從而提高反應器性能。”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，可以優(yōu)化電化學反應，同時最大限度地彌補傳統(tǒng)FTE的缺陷。傳統(tǒng)而言，一般是“無序”介質，如碳纖維基泡沫或氈，難以控制微結構。合著者Swetha Chandrasekaran說：“通過3D打印碳氣凝膠等先進材料，有可能在這些材料中構建大孔網(wǎng)絡，而不會損害電導率和表面積等物理性能。”

該團隊論證了與以前的3D打印相比，通過墨水直寫方法打印在晶體結構的傳質增強了1-2個數(shù)量級，并獲得了與傳統(tǒng)材料相當?shù)男阅堋Ｑ芯咳藛T表示，由于電化學反應器的商業(yè)可行性和廣泛性取決于獲得更大的傳質，因此提升FTE流力將為解決全球能源危機提供更具吸引力的選擇。提高3D打印電極的性能和可預測性也使其適用于高效電化學轉換器的放大反應器。合著者Anna Ivanovskaya表示：“工程師將能夠設計和制造針對特定工藝優(yōu)化的結構。隨著制造技術的發(fā)展，3D打印電極可能會取代傳統(tǒng)的液體和氣體類型反應器的無序電極。”

全球最先進的3D打印實驗室-LLNL國家實驗室中的3D打印小型發(fā)動機 來源：3ders

LLNL的科學家和工程師目前正在探索電化學反應器在一系列應用中的用途，包括將二氧化碳轉化為有用的燃料和聚合物，以及電化學儲能，以進一步利用無碳、可再生資源發(fā)電。通過光聚合3D印刷技術，如投影微立體光刻和雙光子光刻，能以更高的分辨率生產(chǎn)更堅固的電極和反應器組件。該團隊還將利用高性能計算來設計性能更好的結構，并繼續(xù)在更大、更復雜的反應器和全電化學電池中部署3D打印電極。

來源：Inertially enhanced mass transport using3D-printed porous flow-through electrodes with periodic lattice structures, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021).