3D打印石墨烯气凝胶电极将电化学反应器的性能提高100倍

2021年8月4日，南极熊获悉，来自劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员，已经开始使用3D打印技术生产电化学反应器的电极（FTEs），据说将反应器性能提高了100倍。

LLNL团队3D打印由石墨烯气凝胶制成的多孔电极，打印出来的结构可以进行一系列的电化学反应，例如将二氧化碳和其他分子转化为有用的能源产品。

由于3D打印技术可以制造出各种结构，研究人员发现可以更好的控制物质流经电极，这意味着能够改善传质和提高反应器的性能。

这项研究的主要作者、LLNL工程师Victor Beck表示："通过3D打印，我们可以对电化学反应器进行精确的控制，从而提高反应器的性能。新型的、高性能的电极将是下一代电化学反应器的重要组成部分。”

△通过使用3D打印的晶格电极，LLNL团队能够最大限度地提高电化学反应器中的质量传递，极大地改善反应器的性能，图片来自LLNL

质量传递和电化学反应器

电化学反应器通常用于将化学反应物转化为能量，比如电力。这些反应器的商业可行性在很大程度上取决于质量转移，简单来说，是通过电极将流体反应物输送到反应表面。因此，我们需要设计能够控制流动的电极。

目前，电极一般是使用 "无序介质 "制造的，如碳纤维基泡沫。虽然成本很低，但这些无序的材料往往导致流动和传质分布不均匀，这对反应器的性能是不利的。

通过选择3D打印的气凝胶电极，研究人员证明，他们可以定制电极的流道形状，以优化反应器中的反应，同时缓解传统制造的电极的缺点。

共同作者Anna Ivanovskaya补充说："对电极形状的精细控制，使先进的电化学反应器成为可能，这在以前的电极材料中是不可能的。工程师们将能够设计和制造针对特定工艺的优化结构。随着制造技术的发展，3D打印电极可能会取代传统的无序电极，用于液体和气体类型的反应器。"

3D打印的石墨烯气凝胶电极

电极被打印成复杂的晶格结构，增强了1-2个数量级（10倍-100倍）的质量传输。LLNL的电极还实现了与传统无序材料相当的反应器性能，这是一个非常有希望的结果。

该研究的共同作者Swetha Chandrasekaran说："通过3D打印碳气凝胶等先进材料，有可能在不影响导电性和表面积等物理特性的情况下，在这些材料中设计大孔网络"。

这项研究的成功现在将使他们能够探索工程化电极架构的效果，而不依赖于昂贵的工业制造工艺。LLNL目前还在研究使用基于树脂的微立体光刻技术和双光子光刻技术3D打印更坚固的电极和其他反应器部件。

△位于加利福尼亚州利弗莫尔的LLNL校园，照片来自LLNL

电极的3D打印并不是一个新概念，来自橡树岭国家实验室和田纳西大学的一个研究小组之前开发了一种用于互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的3D打印电极的方法。具体来说，科学家们使用Nanoscribe Photonic Professional GT双光子聚合系统将聚合物结构直接纳米打印到半导体芯片上。

此外，科学家们之前已经3D打印了能够检测食品中霉菌毒素的电极，可以保证食品安全。

编译自：3dprintingindustry