Hierarkisk 3-D-print af nanoporøst guld kan revolutionere det elektrokemiske reaktordesign

Nanoporøse metaller er overlegne katalysatorer for kemiske reaktioner på grund af deres store overfladeareal og høje elektriske ledningsevne, hvilket gør dem til perfekte kandidater til anvendelser såsom elektrokemiske reaktorer, sensorer og aktuatorer.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere, sammen med deres kolleger på Harvard University, rapport om den hierarkiske 3-D-printning af nanoporøst guld, et proof of concept, som forskerne siger, kunne revolutionere designet af kemiske reaktorer.

"Hvis du overvejer traditionelle bearbejdningsprocesser, det er tidskrævende, og du spilder en masse materialer – også, du ikke har evnen til at skabe komplekse strukturer, " sagde LLNL postdoc-forsker Zhen Qi, en medforfatter på papiret. "Ved at bruge 3-D-print kan vi realisere makroporøse strukturer med applikationsspecifikke flowmønstre. Ved at skabe hierarkiske strukturer, vi leverer veje til hurtig massetransport for at drage fuld fordel af det store overfladeareal af nanoporøse materialer. Det er også en måde at spare materialer på, især ædle metaller."

Ved at kombinere 3D-print gennem ekstruderingsbaseret direkte blækskrivning og en legerings- og delegeringsproces, forskere var i stand til at konstruere det nanoporøse guld i tre forskellige skalaer, fra mikroskalaen ned til nanoskalaen, rapportering af den hierarkiske struktur "forbedrer massetransport og reaktionshastigheder for både væske og gasser dramatisk." Med evnen til at manipulere katalysatorens overfladeareal til at generere elektrokemiske reaktioner gennem 3-D-print, forskere sagde, at udviklingen kunne have en stor indvirkning på elektrokemiske anlæg, som i dag primært er afhængig af termisk energi.

"Ved at kontrollere flerskalamorfologien og overfladearealet af 3-D porøse materialer, du kan begynde at manipulere massetransportegenskaberne af disse materialer, " sagde LLNL-forsker Eric Duoss. "Med hierarkiske strukturer har du kanaler, der kan håndtere overførsel af reaktanter og produkter til forskellige reaktioner. Det er ligesom transportsystemer, hvor du går fra syvsporede motorveje ned til flersporede motorveje til hovedveje og sidegader, men i stedet for at transportere køretøjer, transporterer vi molekyler."

At opnå det færdige produkt krævede flere trin. LLNL-forsker Cheng Zhu og tidligere postdoc Wen Chen skabte blæk lavet af guld- og sølvmikropartikler. Efter udskrivning, 3D-delene blev sat i en ovn for at lade partiklerne smelte sammen til en guld-sølv-legering. Derefter satte de delene i et kemisk bad, der fjernede sølvet (en proces kaldet "aflegering") for at danne porøst guld i hver bjælke eller filament.

"Den sidste del er en 3-D hierarkisk guldarkitektur, der omfatter de trykte porer i makroskala og porerne i nanoskala, der er resultatet af aflegering, " sagde Chen, som i øjeblikket er professor ved University of Massachusetts-Amherst. "Sådanne hierarkiske 3-D-arkitekturer giver os mulighed for digitalt at kontrollere makroporernes morfologi, som gjorde det muligt for os at realisere den ønskede hurtige massetransportadfærd."

Zhu og Chen sagde, at holdets metode er en model, der nemt kan udvides til andre legeringsmaterialer såsom magnesium, nikkel og kobber, tilbyder en kraftfuld værktøjskasse til at fremstille komplekse 3-D metalarkitekturer med hidtil usete funktionaliteter inden for områder som katalyse, batterier, superkondensatorer og endda kuldioxidreduktion.

Chen, der fokuserede på print og efterbehandling af dele, sagde, at nøglen til processen var at udvikle blæk med velegnet flowadfærd, giver dem mulighed for at danne kontinuerlige filamenter under tryk og størkne, når de kommer ud af printerens mikrodyse for at bevare deres filamentform.

Udfordringen i katalyse er at kombinere højt overfladeareal med hurtig massetransport, ifølge LLNL-forsker Juergen Biener, der udvikler nye katalysatormaterialer til IMASC, et Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske energiministerium.

"Mens additiv fremstilling er et ideelt værktøj til at skabe komplekse makroskalastrukturer, det er fortsat ekstremt vanskeligt direkte at introducere de nanostrukturer, der giver det nødvendige store overfladeareal, " sagde Biener. "Vi overvandt denne udfordring ved at udvikle en metallisk blæk-baseret tilgang, der gjorde det muligt for os at introducere nanoporositet gennem en selektiv korrosionsproces kaldet delegering."

Biener sagde, at LLNL's ekstruderingsbaserede tilgang er universel og skalerbar, giver værktøjsfri kontrol over den makroskopiske prøveform, og - vigtigst af alt - muliggør integration af nanoporøsitet i en applikationsspecifik konstrueret makroporøs netværksstruktur. De kombinerede fordele åbner et nyt designrum for kemiske reaktorer og energilagrings-/konverteringsenheder, han sagde, tilføjer, at de resulterende materialer potentielt kan revolutionere design af kemiske anlæg ved at ændre skaleringsforholdet mellem volumen og overfladeareal.

Projektet er et laboratoriestyret forsknings- og udviklings-gennemførlighedsstudie, der indgår i et foreslået strategisk initiativ ledet af Duoss og LLNL-forsker Sarah Baker for at skabe 3-D elektrokemiske reaktorer, hvori forskere kunne udøve større kontrol over katalysatorer og reducere transportbegrænsninger. Forskere sagde i stedet for store elektrokemiske anlæg, typisk placeret tæt på olieraffinaderier eller i fjerntliggende områder, modulære reaktornetværk kunne skabes i en serie, der let kunne udskiftes og transporteres til flytning nær kilder til rigelig vedvarende energi eller kuldioxid.

"Der er en hel masse videnskabelige og tekniske udfordringer tilbage, men det kan have stor indflydelse, " sagde Chris Spadaccini, direktør for LLNL's Center for Engineered Materials and Manufacturing. "Opskalering burde være lettere med små reaktorer, fordi du kan parallelisere. Du kunne have en række små 3-D reaktorer sammen i stedet for en stor beholder, så du kan kontrollere den kemiske reaktionsproces mere effektivt."

Forskere sagde, at de allerede er begyndt at udforske andre materialer, der kan være katalysatorer for andre reaktioner. LLNL-teamet samarbejdede med Cynthia Friend, professor i kemi og kemisk biologi ved Harvard, gennem Energiministeriets Frontiers Research Center. Harvard-forskere udførte test på prøver af delene, viser, at deres hierarkiske strukturer letter massetransport.

LLNL medforfattere inkluderede Marcus Worsley, Victor Beck, Jianchao Ye, sammen med Mathilde Luneau og Judith Lattimer på Harvard.