Lawrence Livermore National Laboratory produkuje nanoporowate złoto w 3D, które może zmienić projekt reaktorów elektrochemicznych

Nanoporowate metale są silnymi katalizatorami reakcji chemicznych, ponieważ mają dużą powierzchnię i wysokie przewodnictwo elektryczne. Dzięki temu doskonale nadają się do zastosowań takich jak reaktory elektrochemiczne, czujniki i siłowniki.

"Jeśli weźmiesz pod uwagę tradycyjne procesy obróbki, czasochłonne i marnujesz dużo materiałów - również nie masz zdolność do tworzenia złożonych struktur ", powiedział Zhen Qi, współautor artykułu LLNL. "Korzystając z druku 3D, możemy uzyskać makroporowate struktury o specyficznych dla aplikacji wzorcach przepływu. Tworząc struktury hierarchiczne, zapewniamy ścieżki szybkiego transportu masy, aby w pełni wykorzystać dużą powierzchnię nanoporowatych materiałów. Jest to także sposób na oszczędzanie materiałów, zwłaszcza metali szlachetnych. "

" Kontrolując morfologię wielkoskalową i powierzchnię porowatych materiałów 3D, można zacząć manipulować właściwościami transportu masy tych materiałów "- powiedział LLNL badacz Eric Duoss. "W strukturach hierarchicznych macie kanały, które mogą poradzić sobie z przekazywaniem reagentów i produktów dla różnych reakcji. To jak systemy transportowe, w których przechodzisz od autostrad 7-pasmowych do autostrad wielopasmowych na ulice i boczne ulice, ale zamiast transportować pojazdy transportujemy molekuły. "

Badacz LLNL Cheng Zhu i były doktorat student Wen Chen wykonał atramenty ze złota i srebra, które następnie zostały wydrukowane w 3D. Wydrukowane części zostały umieszczone w piecu, aby umożliwić cząstkom połączenie się w stop złota i srebra. Zespół następnie umieścił części w kąpieli chemicznej, która usunęła srebro w procesie zwanym dealloying, pozostawiając porowate złoto za sobą.

"Ostatnia część to hierarchiczna struktura 3D złota obejmująca makroskalowe wydruki porów i nanoskalę pory, które powstają w wyniku dealloyingu ", powiedział Chen, który obecnie jest profesorem na Uniwersytecie Massachusetts-Amherst. "Takie hierarchiczne architektury 3D pozwalają nam sterować cyfrowo morfologią makroporów, co pozwoliło nam zrealizować pożądane szybkie zachowanie transportu masy."

Według Zhu i Chena metoda ta może być również zastosowana do innych metale, takie jak magnez, nikiel i miedź, otwierają aplikacje do drukowania 3D w takich dziedzinach jak kataliza, baterie, superkondensatory i redukcja dwutlenku węgla.

Wyzwanie w katalizie, według badacza LLNL, Juergena Bienera,łączenie dużej powierzchni z szybkim transportem.

"Podczas gdy produkcja dodatków jest idealnym narzędziem do tworzenia złożonych struktur makroskalowych, niezwykle trudno jest bezpośrednio wprowadzić nanostruktury, które zapewniają wymaganą dużą powierzchnię", powiedział Biener. "Przezwyciężyliśmy to wyzwanie, opracowując podejście oparte na tuszach metalicznych, które umożliwiło nam wprowadzenie nanoporowatości poprzez selektywny proces korozji zwany dealloying."

Biener powiedział, że podejście oparte na ekstruzji jest uniwersalne i skalowalne, zapewnia beznarzędziowa kontrola makroskopowego kształtu próbki i umożliwia integrację nanoporowatości w makroporowatej strukturze sieci specyficznej dla aplikacji. Te zalety otwierają nowe możliwości projektowania reaktorów chemicznych oraz urządzeń do przechowywania i konwersji energii.

Projekt jest częścią studium wykonalności dotyczącego proponowanej inicjatywy strategicznej mającej na celu stworzenie reaktorów elektrochemicznych 3D, w których naukowcy mogliby mieć większą kontrolę nad katalizatorami i zmniejszyć ograniczenia transportowe. Zamiast dużych instalacji elektrochemicznych, które znajdują się w pobliżu rafinerii ropy naftowej lub na odległych obszarach, można stworzyć modułowe sieci reaktorów w szeregu, który można łatwo wymienić i przenieść do miejsc w pobliżu źródeł obfitej energii odnawialnej lub dwutlenku węgla. < p> "Pozostało wiele wyzwań naukowych i inżynieryjnych, ale może to mieć znaczący wpływ" - powiedział Chris Spadaccini, dyrektor Centrum LLNL ds. Materiałów i Produkcji Inżynieryjnych. "Zwiększanie skali powinno być łatwiejsze dzięki reaktorom na małą skalę, ponieważ można zrównoleglić. Mógłbyś mieć zestaw małych reaktorów 3D zamiast jednego dużego naczynia umożliwiającego skuteczniejsze kontrolowanie procesu reakcji chemicznej. "

Naukowcy również zaczynają badać inne materiały, które mogą być katalizatorami innych reakcji .