Team bruger 3D-print til at optimere gennemstrømningselektroder til elektrokemiske reaktorer

For at drage fordel af den voksende overflod og billigere omkostninger ved vedvarende energi, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere og ingeniører er 3D-udskrivning gennemstrømningselektroder (FTE'er), kernekomponenter i elektrokemiske reaktorer, der bruges til at omdanne CO ₂ og andre molekyler til nyttige produkter.

Som beskrevet i et papir udgivet af Procedurer fra National Academy of Sciences , LLNL-ingeniører for første gang 3D-printede carbon FTE'er-porøse elektroder, der er ansvarlige for reaktionerne i reaktorerne-fra grafen-aerogeler. Ved at udnytte designfriheden ved 3D -udskrivning, forskere demonstrerede, at de kunne skræddersy strømmen i årsværk, dramatisk forbedring af masseoverførsel - transport af væske- eller gasreaktanter gennem elektroderne og ind på de reaktive overflader. Værket åbner døren for at etablere 3D -print som en "levedygtig, alsidig hurtig prototypemetode "til gennemstrømningselektroder og som en lovende vej til at maksimere reaktorydelsen, ifølge forskere.

"På LLNL er vi banebrydende i brugen af ​​tredimensionelle reaktorer med præcis kontrol over det lokale reaktionsmiljø, "sagde LLNL -ingeniør Victor Beck, papirets hovedforfatter. "Roman, højtydende elektroder vil være væsentlige komponenter i næste generations elektrokemiske reaktorarkitekturer. Dette fremskridt demonstrerer, hvordan vi kan udnytte den kontrol, som 3D -udskrivningsfunktioner tilbyder over elektrodestrukturen til at konstruere den lokale væskestrøm og fremkalde komplekse, inertielle strømningsmønstre, der forbedrer reaktorens ydeevne. "

Gennem 3D -udskrivning, forskere demonstrerede, at ved at kontrollere elektrodernes flowkanalgeometri, de kunne optimere elektrokemiske reaktioner og samtidig minimere de afvejninger, der ses i årsværk foretaget på traditionelle måder. Typiske materialer, der bruges i årsværk, er "uordnede" medier, såsom kulfiberbaserede skum eller filt, begrænsende muligheder for at konstruere deres mikrostruktur. Selvom det er billigt at producere, de tilfældigt ordnede materialer lider under ujævn strømning og massetransportfordeling, forskere forklaret.

"Ved 3D -udskrivning avancerede materialer såsom carbon aerogels, det er muligt at konstruere makro-porøse netværk i dette materiale uden at gå på kompromis med de fysiske egenskaber såsom elektrisk ledningsevne og overfladeareal, "sagde medforfatter Swetha Chandrasekaran.

Teamet rapporterede årsværk, trykt i gitterstrukturer gennem en direkte blækskrivningsmetode, forbedret masseoverførsel over tidligere rapporterede 3D-trykte bestræbelser med 1-2 størrelsesordener, og opnåede ydeevne på niveau med konventionelle materialer.

Fordi den kommercielle levedygtighed og udbredte anvendelse af elektrokemiske reaktorer er afhængig af at opnå større masseoverførsel, evnen til at konstruere flow i årsværk vil gøre teknologien til en langt mere attraktiv mulighed for at hjælpe med at løse den globale energikrise, sagde forskere. Forbedring af ydeevne og forudsigelighed for 3D-printede elektroder gør dem også velegnede til brug i opskalerede reaktorer til højeffektive elektrokemiske omformere.

"At få fin kontrol over elektrodegeometrier vil muliggøre avanceret elektrokemisk reaktorteknik, der ikke var mulig med tidligere generations elektrodematerialer, "sagde medforfatter Anna Ivanovskaya." Ingeniører vil være i stand til at designe og fremstille strukturer, der er optimeret til specifikke processer. Potentielt, med udvikling af produktionsteknologi, 3D-printede elektroder kan erstatte konventionelle uordnede elektroder for både væske- og gastypeaktorer. "

LLNL forskere og ingeniører undersøger i øjeblikket brugen af ​​elektrokemiske reaktorer på tværs af en række applikationer, herunder konvertering af CO ₂ til nyttige brændstoffer og polymerer og elektrokemisk energilagring for at muliggøre yderligere anvendelse af elektricitet fra kulstoffrie og vedvarende energikilder. Forskere sagde, at de lovende resultater vil give dem mulighed for hurtigt at undersøge virkningen af ​​konstruerede elektrodearkitekturer uden dyre industrialiserede fremstillingsteknikker.

Der arbejdes løbende på LLNL for at producere mere robuste elektroder og reaktorkomponenter ved højere opløsninger gennem lysbaserede 3D-polymerudskrivningsteknikker såsom projektionsmikro-stereolitografi og tofoton-litografi, flyder ved metallisering. Teamet vil også udnytte højtydende computing til at designe strukturer med bedre ydeevne og fortsætte med at implementere 3D-printede elektroder i større og mere komplekse reaktorer og fulde elektrokemiske celler.