Nanoporeuze metalen zijn superieure katalysatoren voor chemische reacties vanwege hun grote oppervlakte en hoge elektrische geleidbaarheid, waardoor ze perfecte kandidaten zijn voor toepassingen zoals elektrochemische reactoren, sensoren en actuatoren.

In een onderzoek dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: wetenschappelijke vooruitgang , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) onderzoekers, samen met hun tegenhangers aan de Harvard University, rapport over het hiërarchische 3D-printen van nanoporeus goud, een proof of concept waarvan onderzoekers zeggen dat het een revolutie teweeg kan brengen in het ontwerp van chemische reactoren.

"Als je kijkt naar traditionele bewerkingsprocessen, het is tijdrovend en je verspilt veel materialen - ook, je hebt niet de mogelijkheid om complexe structuren te creëren, " zei LLNL postdoctoraal onderzoeker Zhen Qi, een co-auteur op het papier. "Door 3D-printen te gebruiken, kunnen we macroporeuze structuren realiseren met toepassingsspecifieke stromingspatronen. Door hiërarchische structuren te creëren, we bieden routes voor snel massatransport om optimaal te profiteren van het grote oppervlak van nanoporeuze materialen. Het is ook een manier om materialen te besparen, vooral edele metalen."

Door 3D-printen te combineren door middel van extrusie-gebaseerd direct inktschrijven en een legerings- en deloyingproces, onderzoekers waren in staat om het nanoporeuze goud in drie verschillende schalen te construeren, van microschaal tot nanoschaal, rapportage van de hiërarchische structuur "verbetert drastisch het massatransport en de reactiesnelheden voor zowel vloeistof als gassen." Met de mogelijkheid om het oppervlak van de katalysator te manipuleren om elektrochemische reacties te genereren door middel van 3D-printen, onderzoekers zeiden dat de ontwikkeling een grote impact zou kunnen hebben op elektrochemische fabrieken, die tegenwoordig voornamelijk afhankelijk zijn van thermische energie.

"Door de meerschalige morfologie en het oppervlak van 3D-poreuze materialen te beheersen, je kunt beginnen met het manipuleren van de massatransporteigenschappen van deze materialen, ", zegt LLNL-onderzoeker Eric Duoss. "Met hiërarchische structuren heb je kanalen die de overdracht van reactanten en producten voor verschillende reacties aankunnen. Het is net als transportsystemen, waar je van snelwegen met zeven rijstroken naar snelwegen met meerdere rijstroken naar doorgaande wegen en zijstraten gaat, maar in plaats van voertuigen te vervoeren, vervoeren we moleculen."

Om tot het eindproduct te komen, waren verschillende stappen nodig. LLNL-onderzoeker Cheng Zhu en voormalig postdoc Wen Chen maakten inkten van gouden en zilveren microdeeltjes. Na het afdrukken, de 3D-onderdelen werden in een oven geplaatst om de deeltjes te laten samensmelten tot een goud-zilverlegering. Vervolgens stopten ze de onderdelen in een chemisch bad dat het zilver verwijderde (een proces dat "alloying" wordt genoemd) om poreus goud te vormen in elke balk of filament.

"Het laatste deel is een 3D hiërarchische gouden architectuur bestaande uit de op macroschaal geprinte poriën en de nanoschaalporiën die het resultaat zijn van dealloying, " zei Chen, die momenteel professor is aan de Universiteit van Massachusetts-Amherst. "Dergelijke hiërarchische 3D-architecturen stellen ons in staat om de morfologie van de macroporiën digitaal te controleren, waardoor we het gewenste snelle massatransportgedrag konden realiseren."

Zhu en Chen zeiden dat de methode van het team een ​​model is dat gemakkelijk kan worden uitgebreid naar andere legeringsmaterialen zoals magnesium, nikkel en koper, biedt een krachtige toolbox om complexe 3D-metaalarchitecturen te fabriceren met ongekende functionaliteiten op gebieden zoals katalyse, batterijen, supercondensatoren en zelfs reductie van kooldioxide.

Chen, die zich toelegde op het printen en nabewerken van onderdelen, zei dat de sleutel tot het proces het ontwikkelen van inkten was met een goed vloeigedrag, waardoor ze onder druk continue filamenten kunnen vormen en stollen bij het verlaten van de micronozzle van de printer om hun filamentvorm te behouden.

De uitdaging bij katalyse is het combineren van een groot oppervlak met snel massatransport, volgens LLNL-onderzoeker Juergen Biener, die nieuwe katalysatormaterialen ontwikkelt voor IMASC, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie.

"Hoewel additive manufacturing een ideaal hulpmiddel is om complexe structuren op macroschaal te creëren, het blijft uiterst moeilijk om de nanostructuren die voor het vereiste hoge oppervlak zorgen direct te introduceren, " zei Biener. "We hebben deze uitdaging overwonnen door een op metaalinkt gebaseerde benadering te ontwikkelen waarmee we nanoporositeit konden introduceren via een selectief corrosieproces dat dealloying wordt genoemd."

Biener zei dat de op extrusie gebaseerde aanpak van LLNL universeel en schaalbaar is, biedt tooling-free controle over de macroscopische monstervorm, en - belangrijker nog - maakt integratie van nanoporositeit in een toepassingsspecifieke, macroporeuze netwerkstructuur mogelijk. De gecombineerde voordelen openen een nieuwe ontwerpruimte voor apparaten voor chemische reactoren en energieopslag/omzetting, hij zei, eraan toevoegend dat de resulterende materialen mogelijk een revolutie teweeg kunnen brengen in het ontwerp van chemische fabrieken door de schaalverhoudingen tussen volume en oppervlakte te veranderen.

Het project is een haalbaarheidsstudie voor laboratoriumgericht onderzoek en ontwikkeling die aansluit bij een voorgesteld strategisch initiatief onder leiding van Duoss en LLNL-onderzoeker Sarah Baker om 3D-elektrochemische reactoren te creëren waarin wetenschappers meer controle over katalysatoren kunnen uitoefenen en transportbeperkingen kunnen verminderen. Onderzoekers zeiden in plaats van grote elektrochemische fabrieken, meestal in de buurt van olieraffinaderijen of in afgelegen gebieden, modulaire reactornetwerken zouden kunnen worden gecreëerd in een reeks die gemakkelijk vervangbaar en vervoerbaar zou kunnen zijn voor verplaatsing in de buurt van bronnen van overvloedige hernieuwbare energie of koolstofdioxide.

"Er zijn nog heel wat wetenschappelijke en technische uitdagingen over, maar het kan grote gevolgen hebben, " zei Chris Spadaccini, directeur van LLNL's Centre for Engineered Materials and Manufacturing. "Opschaling zou gemakkelijker moeten zijn met kleinschalige reactoren omdat je kunt parallelliseren. Je zou een reeks kleine 3D-reactoren bij elkaar kunnen hebben in plaats van één groot vat, zodat je het chemische reactieproces effectiever kunt beheersen."

Onderzoekers zeiden dat ze al andere materialen beginnen te onderzoeken die mogelijk katalysatoren zijn voor andere reacties. Het LLNL-team werkte samen met Cynthia Friend, een professor in scheikunde en chemische biologie aan Harvard, via het Frontiers Research Center van het Department of Energy. Harvard-wetenschappers voerden tests uit op monsters van de onderdelen, waaruit blijkt dat hun hiërarchische structuren massatransport vergemakkelijken.

LLNL co-auteurs waren Marcus Worsley, Victor Beck, Jianchao, samen met Mathilde Luneau en Judith Lattimer op Harvard.