Om te profiteren van de groeiende overvloed en goedkopere kosten van hernieuwbare energie, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wetenschappers en ingenieurs zijn 3D-printen doorstroomelektroden (FTE's), kerncomponenten van elektrochemische reactoren die worden gebruikt voor het omzetten van CO ₂ en andere moleculen tot bruikbare producten.

Zoals beschreven in een paper gepubliceerd door de Proceedings van de National Academy of Sciences , LLNL ontwerpt voor het eerst 3D-geprinte koolstof-FTE's - poreuze elektroden die verantwoordelijk zijn voor de reacties in de reactoren - van grafeen-aerogels. Door gebruik te maken van de ontwerpvrijheid die 3D-printen biedt, onderzoekers toonden aan dat ze de stroom in FTE's konden aanpassen, drastische verbetering van de massaoverdracht - het transport van vloeibare of gasreactanten door de elektroden en op de reactieve oppervlakken. Het werk opent de deur naar het vestigen van 3D-printen als een "levensvatbare, veelzijdige rapid-prototyping-methode" voor doorstroomelektroden en als een veelbelovende weg naar het maximaliseren van de reactorprestaties, volgens onderzoekers.

"Bij LLNL pionieren we met het gebruik van driedimensionale reactoren met nauwkeurige controle over de lokale reactieomgeving, " zei LLNL-ingenieur Victor Beck, hoofdauteur van de krant. "Roman, hoogwaardige elektroden zullen essentiële componenten zijn van de volgende generatie elektrochemische reactorarchitecturen. Deze vooruitgang laat zien hoe we gebruik kunnen maken van de controle die 3D-printmogelijkheden bieden over de elektrodestructuur om de lokale vloeistofstroom te ontwikkelen en complexe, traagheidsstromingspatronen die de prestaties van de reactor verbeteren."

Door middel van 3D-printen, onderzoekers toonden aan dat door het regelen van de stroomkanaalgeometrie van de elektroden, ze zouden elektrochemische reacties kunnen optimaliseren en tegelijkertijd de compromissen in FTE's die met traditionele middelen worden gemaakt, tot een minimum kunnen beperken. Typische materialen die in FTE's worden gebruikt, zijn "ongeordende" media, zoals schuim of vilt op basis van koolstofvezel, beperkende mogelijkheden voor het ontwerpen van hun microstructuur. Hoewel goedkoop om te produceren, de willekeurig geordende materialen hebben last van ongelijke stroom en massatransportdistributie, onderzoekers uitgelegd.

"Door 3D-printen van geavanceerde materialen zoals carbon aerogels, het is mogelijk om macroporeuze netwerken in dit materiaal te construeren zonder afbreuk te doen aan de fysieke eigenschappen zoals elektrische geleidbaarheid en oppervlakte, ", zei co-auteur Swetha Chandrasekaran.

Het team rapporteerde de FTE's, gedrukt in roosterstructuren via een directe inktschrijfmethode, verbeterde massaoverdracht ten opzichte van eerder gerapporteerde 3D-geprinte inspanningen met 1-2 ordes van grootte, en behaalde prestaties die vergelijkbaar zijn met die van conventionele materialen.

Omdat de commerciële levensvatbaarheid en wijdverbreide toepassing van elektrochemische reactoren afhankelijk is van het bereiken van een grotere massaoverdracht, het vermogen om de stroom in FTE's te ontwikkelen, zal de technologie een veel aantrekkelijkere optie maken om de wereldwijde energiecrisis te helpen oplossen, aldus onderzoekers. Door de prestaties en voorspelbaarheid van 3D-geprinte elektroden te verbeteren, zijn ze ook geschikt voor gebruik in opgeschaalde reactoren voor hoogrenderende elektrochemische converters.

"Het verkrijgen van nauwkeurige controle over de elektrodegeometrieën zal geavanceerde elektrochemische reactortechniek mogelijk maken die niet mogelijk was met elektrodematerialen van de vorige generatie, "Zei co-auteur Anna Ivanovskaya. "Ingenieurs zullen in staat zijn om structuren te ontwerpen en te vervaardigen die geoptimaliseerd zijn voor specifieke processen. Mogelijk, met de ontwikkeling van productietechnologie, 3D-geprinte elektroden kunnen conventionele ongeordende elektroden vervangen voor zowel vloeistof- als gasreactoren."

Wetenschappers en ingenieurs van LLNL onderzoeken momenteel het gebruik van elektrochemische reactoren voor een reeks toepassingen, inclusief het omzetten van CO ₂ tot nuttige brandstoffen en polymeren en elektrochemische energieopslag om de verdere inzet van elektriciteit uit koolstofvrije en hernieuwbare bronnen mogelijk te maken. Onderzoekers zeiden dat de veelbelovende resultaten hen in staat zullen stellen om snel de impact van geconstrueerde elektrode-architecturen te onderzoeken zonder dure geïndustrialiseerde productietechnieken.

Bij LLNL wordt gewerkt aan de productie van robuustere elektroden en reactorcomponenten met hogere resoluties door middel van op licht gebaseerde 3D-polymeerprinttechnieken zoals projectiemicro-stereolithografie en twee-fotonlithografie, vloeide door metallisatie. Het team zal ook gebruikmaken van high-performance computing om beter presterende structuren te ontwerpen en de 3D-geprinte elektroden in grotere en complexere reactoren en volledige elektrochemische cellen te blijven inzetten.