纳米多孔金的分层3D打印可以彻底改变化学反应器的设计
中国3D打印网9月7日讯， 劳伦斯利弗莫尔全国实验室（LLNL）的研究人员与他们在哈佛大学的同行一起报告了纳米多孔金的分层3D打印，他们认为这可能会彻底改变化学反应器的设计。纳米多孔金属引起了科学家们很大的兴趣，因为它们结合了几种理想的材料特性，例如高表面积，机械尺寸效应和高导电性。这使它们成为电化学反应器，传感器和执行器等应用的理想选择。
“如果你考虑传统的加工工艺，耗费时间并浪费大量材料，同时你还没有能力创造复杂的结构。”LLNL博士后研究员Zhen Qi说道，他是该论文的共同作者。 “通过使用3D打印，我们可以实现具有特定应用流动模式的大孔结构。通过创建分层结构，我们提供快速质量传输的途径，以充分利用纳米多孔材料的大表面积。它也是一种节省材料的方法，特别是贵金属。“
研究人员将基于挤出的直接油墨写入3D打印工艺与合金化和脱合金工艺相结合，将纳米多孔金制成三种不同的尺度，从微观尺度到纳米尺度。根据研究人员的说法，分层结构“显着改善了每种液体和气体的质量传递和响应电荷。”研究人员说，通过3D打印能够控制催化剂的表面积以产生电化学反应，这一发展可能对电化学产生重大影响。
将3D打印与合金化和脱合金工艺相结合，劳伦斯利弗莫尔国家实验室和哈佛大学的研究人员能够将纳米多孔金设计成微架构的层次结构。图片来源：Ryan Chen / LLNL
“通过控制三维多孔材料的多尺度形态和表面积，您可以开始操纵这些材料的传质特性。”LLNL研究员Eric Duoss说， “通过层级结构，您可以处理反应物和产品转移以进行不同反应的通道。“实现成品需要几个步骤。 LLNL研究员Cheng Zhu和前博士后Wen Chen创造了由金银微粒制成的墨水，然后进行3D打印。将3D打印部件放入炉中以使颗粒聚结成金、 银合金。然后他们将这些部件放入化学浴中，在一个称为“脱合金”的过程中除去银，在每个梁或细丝内形成多孔金。“最后一部分是三维分层金结构，包括宏观印刷的孔隙和由于脱合金作用而形成的纳米级孔隙。”现任马萨诸塞大学阿默斯特分校教授Chen说。 “这种分层的3D架构允许我们以数字方式控制大孔的形态，这使我们能够实现所需的快速质量传输行为。”
研究人员表示，该方法可以很容易地应用于其他合金材料，如镁，镍和铜，为催化，电池，超级电容器甚至二氧化碳还原等领域应用复杂的3D打印金属部件提供了新的可能性。
3D打印的Ag-Au结构，具有不同的宏观几何尺寸和微尺度架构。
（A）平行线性长丝的单层阵列的光学图像。多层高纵横比（B）螺旋，（C）蜂窝，（D）空心柱阵列，（E）线性简单立方晶格和（F）圆形径向晶格结构的光学图像。 （A），（B），（C）和（E）表示印刷，（D）和（F）表示退火后。比例尺，200μm（A）和2 mm（B至F）。
专注于印刷和后处理零件的Chen表示，该工艺的关键是开发具有良好流动性能的油墨，使其能够在压力下形成连续长丝，并在离开打印机的微喷嘴时凝固以保持其丝状形状。LLNL研究员Juergen Biener表示，催化的挑战在于将高表面积与快速传质相结合。虽然增材制造是创建复杂宏观结构的理想工具，但直接引入提供所需高表面积的纳米结构仍然非常困难，“Biener说。”我们通过开发基于金属油墨的方法克服了这一挑战，通过称为脱合金的选择性腐蚀过程引入纳米孔隙。“
他们的研究论文题为《走向数控催化剂结构：通过3D打印的分层纳米多孔金》发表在Science Advances杂志上。
中国3D打印网译自：3ders.org
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