Nanoporösa metaller är överlägsna katalysatorer för kemiska reaktioner på grund av sin stora yta och höga elektriska ledningsförmåga, vilket gör dem till perfekta kandidater för tillämpningar som elektrokemiska reaktorer, sensorer och ställdon.

I en studie publicerad i dag i tidskriften Vetenskapens framsteg , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare, tillsammans med sina motsvarigheter vid Harvard University, rapport om hierarkisk 3-D-utskrift av nanoporöst guld, ett proof of concept som forskare säger skulle kunna revolutionera designen av kemiska reaktorer.

"Om du tänker på traditionella bearbetningsprocesser, det är tidskrävande och du slösar mycket material – även du har inte förmågan att skapa komplexa strukturer, " sa LLNL postdoktor Zhen Qi, en medförfattare på tidningen. "Genom att använda 3-D-utskrift kan vi realisera makroporösa strukturer med applikationsspecifika flödesmönster. Genom att skapa hierarkiska strukturer, Vi tillhandahåller vägar för snabb masstransport för att dra full nytta av den stora ytarean av nanoporösa material. Det är också ett sätt att spara material, särskilt ädla metaller."

Kombinera 3D-utskrift genom extruderingsbaserad direktbläckskrivning och en legerings- och delegeringsprocess, forskare kunde konstruera det nanoporösa guldet i tre distinkta skalor, från mikroskalan ner till nanoskalan, rapportering av den hierarkiska strukturen "förbättrar dramatiskt masstransport och reaktionshastigheter för både vätska och gaser." Med förmågan att manipulera katalysatorns yta för att generera elektrokemiska reaktioner genom 3-D-utskrift, forskare sa att utvecklingen kan ha en stor inverkan på elektrokemiska anläggningar, som idag i första hand förlitar sig på termisk energi.

"Genom att kontrollera flerskalig morfologi och ytarea hos 3D-porösa material, du kan börja manipulera masstransportegenskaperna hos dessa material, ", sa LLNL-forskaren Eric Duoss. "Med hierarkiska strukturer har du kanaler som kan hantera överföring av reaktanter och produkter för olika reaktioner. Det är som transportsystem, där du går från sjufiliga motorvägar ner till flerfiliga motorvägar till genomfarter och sidogator, men istället för att transportera fordon så transporterar vi molekyler."

För att uppnå den färdiga produkten krävdes flera steg. LLNL-forskaren Cheng Zhu och tidigare postdoc Wen Chen skapade bläck gjorda av guld- och silvermikropartiklar. Efter utskrift, 3D-delarna sattes i en ugn för att låta partiklarna förenas till en guld-silverlegering. Sedan lade de delarna i ett kemiskt bad som tog bort silvret (en process som kallas "avlegering") för att bilda poröst guld inom varje balk eller filament.

"Den sista delen är en 3-D hierarkisk guldarkitektur som består av de tryckta porerna i makroskala och porerna i nanoskala som är resultatet av avlegering, sa Chen, som för närvarande är professor vid University of Massachusetts-Amherst. "Sådana hierarkiska 3D-arkitekturer tillåter oss att digitalt styra makroporernas morfologi, vilket gjorde det möjligt för oss att förverkliga det önskade snabba masstransportbeteendet."

Zhu och Chen sa att lagets metod är en modell som lätt kan utvidgas till andra legeringsmaterial som magnesium, nickel och koppar, erbjuder en kraftfull verktygslåda för att tillverka komplexa 3D-arkitekturer med oöverträffade funktioner inom områden som katalys, batterier, superkondensatorer och till och med koldioxidreduktion.

Chen, som fokuserade på tryckning och efterbearbetning av delar, sa att nyckeln till processen var att utveckla bläck med väl anpassat flödesbeteende, tillåta dem att bilda kontinuerliga filament under tryck och stelna när de lämnar skrivarens mikromunstycke för att behålla sin filamentform.

Utmaningen inom katalys är att kombinera stor yta med snabb masstransport, enligt LLNL-forskaren Juergen Biener, som utvecklar nya katalysatormaterial för IMASC, ett Energy Frontier Research Center finansierat av U.S. Department of Energy.

"Medan additiv tillverkning är ett idealiskt verktyg för att skapa komplexa strukturer i makroskala, det är fortfarande extremt svårt att direkt introducera de nanostrukturer som ger den erforderliga höga ytan, "Biener sa." Vi övervann denna utmaning genom att utveckla ett metalliskt bläckbaserat tillvägagångssätt som gjorde att vi kunde introducera nanoporositet genom en selektiv korrosionsprocess som kallas dealloying. "

Biener sa att LLNL:s extruderingsbaserade tillvägagångssätt är universell och skalbar, ger verktygsfri kontroll över den makroskopiska provformen, och – viktigast av allt – möjliggör integration av nanoporositet i en applikationsspecifik konstruerad makroporös nätverksstruktur. De kombinerade fördelarna öppnar ett nytt designutrymme för kemiska reaktorer och energilagrings-/omvandlingsanordningar, han sa, och tillägger att de resulterande materialen potentiellt kan revolutionera designen av kemiska anläggningar genom att ändra skalförhållandet mellan volym och yta.

Projektet är en laboratoriestyrd forsknings- och utvecklingsstudie som ger inslag i ett föreslaget strategiskt initiativ ledd av Duoss och LLNL-forskaren Sarah Baker för att skapa 3-D elektrokemiska reaktorer där forskare kan utöva större kontroll över katalysatorer och minska transportbegränsningar. Forskare sa istället för stora elektrokemiska växter, vanligtvis beläget nära oljeraffinaderier eller i avlägsna områden, modulära reaktornätverk skulle kunna skapas i en serie som lätt kan utbytas och transporteras för omlokalisering nära källor med rikligt med förnybar energi eller koldioxid.

"Det finns en hel del vetenskapliga och tekniska utmaningar kvar, men det kan ha betydande inverkan, "sa Chris Spadaccini, direktör för LLNL:s Center for Engineered Materials and Manufacturing. "Uppskalning borde vara lättare med småskaliga reaktorer eftersom du kan parallellisera. Du kan ha en rad små 3D-reaktorer tillsammans istället för ett stort kärl som gör att du kan kontrollera den kemiska reaktionsprocessen mer effektivt."

Forskare sa att de redan börjar utforska andra material som kan vara katalysatorer för andra reaktioner. LLNL-teamet samarbetade med Cynthia Friend, professor i kemi och kemisk biologi vid Harvard, genom Department of Energy's Frontiers Research Center. Harvard-forskare utförde tester på prover av delarna, visar att deras hierarkiska strukturer underlättar masstransporter.

LLNL medförfattare inkluderade Marcus Worsley, Victor Beck, Jianchao Ye, tillsammans med Mathilde Luneau och Judith Lattimer på Harvard.