神奇的3D打印｜可優(yōu)化電化學(xué)反應(yīng)器的貫穿式電極

來源：江蘇激光聯(lián)盟

可再生能源炙手可熱，恰似明日之星。如何使可再生能源效用優(yōu)化，3D打印作為流通電極的可行的、通用的“速成法”，最大限度提高反應(yīng)器性能的一種途徑，正發(fā)揮著重要作用！勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室LLNL的科學(xué)家和工程師們利用3D打印電極(FTEs)，將CO2和其他分子轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品電化學(xué)反應(yīng)器的核心組件。

3D打印技術(shù)作為近年來新興的一種革命性產(chǎn)業(yè)技術(shù)，呈現(xiàn)出的快速增長趨勢令各行各業(yè)始料未及，在醫(yī)療、環(huán)保等行業(yè)也有了眾多可喜的應(yīng)用。3D打印或可為可再生能源發(fā)展獻(xiàn)上一劑”良方“。

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的工程師們首次從石墨烯氣凝膠中獲得了3D打印的貫穿式電極(flow-through electrodes - FTEs)——負(fù)責(zé)反應(yīng)器中反應(yīng)的多孔電極。通過3D打印，研究人員證明他們可以“定制”流動，大大改善液體或氣體反應(yīng)物通過電極并傳輸至反應(yīng)表面的傳質(zhì)。圖片由勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory）所提供。

LLNL工程師Victor Beck說：“我們正探索使用三維反應(yīng)器，精確控制局部反應(yīng)環(huán)境。新型高性能電極將是下一代電化學(xué)反應(yīng)器架構(gòu)的重要組成部分。我們可以利用3D打印對電極結(jié)構(gòu)的控制功能來設(shè)計(jì)局部流動，形成復(fù)雜的慣性流動模式，從而提高反應(yīng)器性能�！蓖ㄟ^3D打印，研究人員證明通過控制電極的流動通道幾何形狀，可以優(yōu)化電化學(xué)反應(yīng)，同時最大限度地彌補(bǔ)傳統(tǒng)FTE的缺陷。傳統(tǒng)而言，一般是“無序”介質(zhì)，如碳纖維基泡沫或氈，難以控制微結(jié)構(gòu)。合著者Swetha Chandrasekaran說：“通過3D打印碳?xì)饽�膠等先進(jìn)材料，有可能在這些材料中構(gòu)建大孔網(wǎng)絡(luò)，而不會損害電導(dǎo)率和表面積等物理性能�！�

該團(tuán)隊(duì)論證了與以前的3D打印相比，通過墨水直寫方法打印在晶體結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)增強(qiáng)了1-2個數(shù)量級，并獲得了與傳統(tǒng)材料相當(dāng)?shù)男阅�。研究人員表示，由于電化學(xué)反應(yīng)器的商業(yè)可行性和廣泛性取決于獲得更大的傳質(zhì)，因此提升FTE流力將為解決全球能源危機(jī)提供更具吸引力的選擇。提高3D打印電極的性能和可預(yù)測性也使其適用于高效電化學(xué)轉(zhuǎn)換器的放大反應(yīng)器。合著者Anna Ivanovskaya表示：“工程師將能夠設(shè)計(jì)和制造針對特定工藝優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，3D打印電極可能會取代傳統(tǒng)的液體和氣體類型反應(yīng)器的無序電極�！�

全球最先進(jìn)的3D打印實(shí)驗(yàn)室-LLNL國家實(shí)驗(yàn)室中的3D打印小型發(fā)動機(jī) 來源：3ders

LLNL的科學(xué)家和工程師目前正在探索電化學(xué)反應(yīng)器在一系列應(yīng)用中的用途，包括將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的燃料和聚合物，以及電化學(xué)儲能，以進(jìn)一步利用無碳、可再生資源發(fā)電。通過光聚合3D印刷技術(shù)，如投影微立體光刻和雙光子光刻，能以更高的分辨率生產(chǎn)更堅(jiān)固的電極和反應(yīng)器組件。該團(tuán)隊(duì)還將利用高性能計(jì)算來設(shè)計(jì)性能更好的結(jié)構(gòu)，并繼續(xù)在更大、更復(fù)雜的反應(yīng)器和全電化學(xué)電池中部署3D打印電極。

來源：Inertially enhanced mass transport using3D-printed porous flow-through electrodes with periodic lattice structures, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021).