美国LLNL实验室使用3D打印技术将电化学反应器的性能提升百倍以上

时间：2021-08-04 10:58 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

导读：2021年8月3日，来自美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员已经开始使用3D打印技术来生产电化学反应器的流动电极（FTEs），据称可以将反应器性能提升100倍以上。据悉，LLNL团队所采用的工艺为直接墨水书写（DIW），能够3D打印出由石墨烯气凝胶制成的定制多孔电极。这种打印出来的结构对于后续一系列的电化学反应至关重要，例如可以将二氧化碳和其他分子转化为有用的能源产品。

△直接墨水书写

通过利用增材制造提供的设计自由度，研究人员发现他们可以更好地控制流经3D打印电极的FTEs。在电化学反应器的使用背景下，这可能意味着最大化改善传输介质和反应器的性能。这项研究的主要作者、LLNL工程师VictorBeck解释说："我们对局部反应环境进行精确控制的3D反应器的使用是一项开创性的成就，新型的、高性能的电极将是下一代电化学反应器架构的重要组成部分。这表明我们如何能够利用3D打印对电极结构的控制来设计当地的流体流动，并诱导复杂的惯性流动模式，从而提高反应器的性能。"

△通过使用3D打印的晶格电极几何形状，LLNL团队能够最大限度地提高电化学反应器中的质量传递，极大地改善反应器的性能。图片来自LLNL

质量传递和电化学反应器

电化学反应器通常用于将化学反应物转化为更有用的能量形式，即电力或燃料。根据LLNL研究人员的说法，这些反应器的商业可行性在很大程度上取决于实现更大的质量转移，这被简单地定义为通过电极将流体反应物输送到反应表面。为此，我们需要能够控制和设计流动的FTEs。

到目前为止，FTEs是使用"无序介质"制造的，如碳纤维基泡沫和纤维。虽然具有成本效益，但这些无序的材料往往导致流动和传质分布不均匀，这对反应器的性能是不利的。

研究人员证明，通过选择3D打印的气凝胶电极，他们可以定制出FTEs的流道几何形状，以优化反应器中的反应，同时缓解传统制造的FTEs的缺点。

"获得对电极几何形状的精细控制将使先进的电化学反应器工程成为可能，这在前一代电极材料中是不可能的，"此项研究的共同作者Anna Ivanovskaya补充说。"工程师们将能够设计和制造针对特定工艺的优化结构。此外，随着制造技术的发展，3D打印电极有可能会取代传统的无序电极，用于液体和气体类型的反应器。"

3D打印的石墨烯气凝胶FTEs

据报道，被打印成复杂晶格结构的FTEs与以前的3D打印实验产品相比，它增强了1-2个数量级（10倍-100倍）的质量传输。LLNL的FTEs还实现了与传统无序材料相当的反应器性能，这是一个非常有希望的结果。

该研究的共同作者Swetha Chandrasekaran说："通过3D打印碳气凝胶等先进材料，有可能在不影响导电性和表面积等物理特性的情况下，在这些材料中设计出大孔网络"。

LLNL团队表示，该研究的成功现在将使他们能够探索工程化电极架构的效果，而不依赖于昂贵的工业制造工艺。LLNL目前还在研究使用基于树脂的微立体光刻技术和双光子光刻技术3D打印更坚固的电极和其他反应器部件。

△位于加利福尼亚州利弗莫尔的LLNL园区。照片来自LLNL

电极的3D打印并不是一个新概念，尽管它仍然主要限于学术领域。在此之前，来自橡树岭国家实验室和田纳西大学的一个研究小组此前开发了一种用于互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的3D打印电极的方法。具体来讲，是科学家们使用Nanoscribe Photonic Professional GT双光子聚合系统将聚合物结构直接纳米打印到半导体芯片上，在那里它们可以被碳化。

在其他方面，科学家们之前已经3D打印了能够检测食品中霉菌毒素的电极，为保证食品安全的新方法铺平了道路。这种有毒的代谢物是由真菌中的镰刀菌产生的，通常可以在含有小麦的玉米产品中发现，如麦片。

(责任编辑：admin)

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