3D打印石墨烯氣凝膠電極將電化學(xué)反應(yīng)器的性能提高100倍

2021年8月4日，南極熊獲悉，來自勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員，已經(jīng)開始使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)電化學(xué)反應(yīng)器的電極（FTEs），據(jù)說將反應(yīng)器性能提高了100倍。

LLNL團隊3D打印由石墨烯氣凝膠制成的多孔電極，打印出來的結(jié)構(gòu)可以進行一系列的電化學(xué)反應(yīng)，例如將二氧化碳和其他分子轉(zhuǎn)化為有用的能源產(chǎn)品。

由于3D打印技術(shù)可以制造出各種結(jié)構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn)可以更好的控制物質(zhì)流經(jīng)電極，這意味著能夠改善傳質(zhì)和提高反應(yīng)器的性能。

這項研究的主要作者、LLNL工程師Victor Beck表示："通過3D打印，我們可以對電化學(xué)反應(yīng)器進行精確的控制，從而提高反應(yīng)器的性能。新型的、高性能的電極將是下一代電化學(xué)反應(yīng)器的重要組成部分?！?br />

△通過使用3D打印的晶格電極，LLNL團隊能夠最大限度地提高電化學(xué)反應(yīng)器中的質(zhì)量傳遞，極大地改善反應(yīng)器的性能，圖片來自LLNL

質(zhì)量傳遞和電化學(xué)反應(yīng)器

電化學(xué)反應(yīng)器通常用于將化學(xué)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為能量，比如電力。這些反應(yīng)器的商業(yè)可行性在很大程度上取決于質(zhì)量轉(zhuǎn)移，簡單來說，是通過電極將流體反應(yīng)物輸送到反應(yīng)表面。因此，我們需要設(shè)計能夠控制流動的電極。

目前，電極一般是使用 "無序介質(zhì) "制造的，如碳纖維基泡沫。雖然成本很低，但這些無序的材料往往導(dǎo)致流動和傳質(zhì)分布不均勻，這對反應(yīng)器的性能是不利的。

通過選擇3D打印的氣凝膠電極，研究人員證明，他們可以定制電極的流道形狀，以優(yōu)化反應(yīng)器中的反應(yīng)，同時緩解傳統(tǒng)制造的電極的缺點。

共同作者Anna Ivanovskaya補充說："對電極形狀的精細控制，使先進的電化學(xué)反應(yīng)器成為可能，這在以前的電極材料中是不可能的。工程師們將能夠設(shè)計和制造針對特定工藝的優(yōu)化結(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)的無序電極，用于液體和氣體類型的反應(yīng)器。"

3D打印的石墨烯氣凝膠電極

電極被打印成復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，增強了1-2個數(shù)量級（10倍-100倍）的質(zhì)量傳輸。LLNL的電極還實現(xiàn)了與傳統(tǒng)無序材料相當?shù)姆磻?yīng)器性能，這是一個非常有希望的結(jié)果。

該研究的共同作者Swetha Chandrasekaran說："通過3D打印碳氣凝膠等先進材料，有可能在不影響導(dǎo)電性和表面積等物理特性的情況下，在這些材料中設(shè)計大孔網(wǎng)絡(luò)"。

這項研究的成功現(xiàn)在將使他們能夠探索工程化電極架構(gòu)的效果，而不依賴于昂貴的工業(yè)制造工藝。LLNL目前還在研究使用基于樹脂的微立體光刻技術(shù)和雙光子光刻技術(shù)3D打印更堅固的電極和其他反應(yīng)器部件。

△位于加利福尼亞州利弗莫爾的LLNL校園，照片來自LLNL

電極的3D打印并不是一個新概念，來自橡樹嶺國家實驗室和田納西大學(xué)的一個研究小組之前開發(fā)了一種用于互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電路的3D打印電極的方法。具體來說，科學(xué)家們使用Nanoscribe Photonic Professional GT雙光子聚合系統(tǒng)將聚合物結(jié)構(gòu)直接納米打印到半導(dǎo)體芯片上。

此外，科學(xué)家們之前已經(jīng)3D打印了能夠檢測食品中霉菌毒素的電極，可以保證食品安全。

編譯自：3dprintingindustry