Чтобы воспользоваться преимуществами растущих возможностей и удешевления возобновляемых источников энергии, учёные и инженеры Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) печатают на 3D-принтере проточные электроды (FTE), основные компоненты электрохимических реакторов, используемых для преобразования CO2 и других молекул в полезные продукты.
Как описано в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, инженеры LLNL впервые напечатали на 3D-принтере углеродные FTE - пористые электроды, отвечающие за реакции в реакторах - из графеновых аэрогелей. Используя свободу проектирования, предоставляемую 3D-печатью, исследователи продемонстрировали, что они могут адаптировать поток в FTE, значительно улучшив массоперенос - перенос жидких или газовых реагентов через электроды на активные поверхности. По словам исследователей, эта работа открывает двери для превращения 3D-печати в «жизнеспособный, универсальный метод быстрого прототипирования» проточных электродов и в качестве многообещающего пути к максимальному увеличению производительности реактора.
«В LLNL мы являемся пионерами в использовании трёхмерных реакторов с точным контролем над местной реакционной средой», - сказал инженер LLNL Виктор Бек, ведущий автор статьи. «Новые высокоэффективные электроды будут важными компонентами архитектур электрохимических реакторов следующего поколения. Это достижение демонстрирует, как мы можем усилить контроль, который возможности 3D-печати предлагают над структурой электрода, чтобы спроектировать локальный поток жидкости и вызвать сложные инерционные схемы потока. которые улучшают работу реактора».
С помощью 3D-печати исследователи продемонстрировали, что, контролируя геометрию проточного канала электродов, они могут оптимизировать электрохимические реакции, минимизируя при этом компромиссы, наблюдаемые при использовании FTE традиционными способами. Типичными материалами, используемыми в FTE, являются «неупорядоченные» среды, такие как пена или войлок на основе углеродного волокна, что ограничивает возможности для разработки их микроструктуры. Исследователи объяснили, что, несмотря на дешевизну в производстве, случайным образом упорядоченные материалы страдают от неравномерного распределения потока и массопереноса.
«Путем 3D-печати передовых материалов, таких как углеродные аэрогели, можно создавать макропористые сети в этом материале без ущерба для физических свойств, таких как электрическая проводимость и площадь поверхности», - сказала соавтор Света Чандрасекаран.
Команда сообщила о FTE, напечатанных в решетчатых структурах с помощью метода прямого письма чернилами, улучшенном массопереносе по сравнению с ранее сообщавшимися объёмами 3D-печати на 1-2 порядка и достигнутой производительности наравне с традиционными материалами.
По словам исследователей, поскольку коммерческая жизнеспособность и широкое распространение электрохимических реакторов зависит от достижения большего массообмена, возможность спроектировать поток в FTEs сделает эту технологию гораздо более привлекательным вариантом для помощи в решении глобального энергетического кризиса. Улучшение характеристик и предсказуемости электродов, напечатанных на 3D-принтере, также делает их пригодными для использования в реакторах увеличенного размера для высокоэффективных электрохимических преобразователей.
«Получение точного контроля над геометрией электродов позволит создать передовые электрохимические реакторы, которые были невозможны с электродными материалами предыдущего поколения», - сказала соавтор Анна Ивановская. «Инженеры смогут разрабатывать и изготавливать конструкции, оптимизированные для конкретных процессов. Потенциально, с развитием технологии производства, напечатанные на 3D-принтере электроды могут заменить обычные неупорядоченные электроды для реакторов как жидкостного, так и газового типа».
Ученые и инженеры LLNL в настоящее время изучают возможность использования электрохимических реакторов в различных областях, включая преобразование CO2 в полезные виды топлива и полимеры и электрохимическое хранение энергии, чтобы обеспечить дальнейшее использование электроэнергии из безуглеродных и возобновляемых источников. Исследователи заявили, что многообещающие результаты позволят им быстро изучить влияние инженерных архитектур электродов без использования дорогостоящих промышленных технологий.
В LLNL ведутся работы по производству более надежных электродов и компонентов реактора с более высоким разрешением с помощью технологий 3D-печати на основе света, таких как проекционная микростереолитография и двухфотонная литография с металлизацией. Команда также будет использовать высокопроизводительные вычисления для проектирования более эффективных структур и продолжит развертывание электродов, напечатанных на 3D-принтере, в более крупных и сложных реакторах и полных электрохимических ячейках.
Дополнительная информация доступна в статье "Инерционно улучшенный массоперенос с использованием напечатанных на 3D-принтере пористых проточных электродов с периодической решетчатой структурой" в Трудах Национальной академии наук США (2021 г.).
Источник: https://phys.org/news/2021-08-team-3d-optimize-flow-through-electrodes.html