För första gången, Lawrence Livermore National Laboratorys ingenjörer har 3D-printade kolgenomströmningselektroder (FTE) - porösa elektroder som ansvarar för reaktionerna i reaktorerna - från grafenaerogeler. Genom att dra nytta av designfriheten som 3D-utskrift ger, forskare visade att de kunde skräddarsy flödet i heltid, dramatiskt förbättrad massöverföring - transporten av vätske- eller gasreaktanter genom elektroderna och till de reaktiva ytorna. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
För att dra fördel av det växande överflöd och billigare kostnader för förnybar energi, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare och ingenjörer är 3D-utskrift genomströmningselektroder (FTEs), kärnkomponenter i elektrokemiska reaktorer som används för att omvandla CO 2 och andra molekyler till användbara produkter.
Som beskrivs i en tidning publicerad av Proceedings of the National Academy of Sciences , LLNL ingenjörer för första gången 3D-printade kol FTEs - porösa elektroder som ansvarar för reaktionerna i reaktorerna - från grafen aerogeler. Genom att dra nytta av designfriheten som 3D-utskrift ger, forskare visade att de kunde skräddarsy flödet i heltid, dramatiskt förbättrad massöverföring - transporten av vätske- eller gasreaktanter genom elektroderna och till de reaktiva ytorna. Arbetet öppnar dörren för att etablera 3D-utskrift som en "livskraftig, mångsidig metod för snabb prototyp" för genomströmningselektroder och som en lovande väg för att maximera reaktorprestanda, enligt forskare.
"På LLNL är vi banbrytande för användningen av tredimensionella reaktorer med exakt kontroll över den lokala reaktionsmiljön, " sa LLNL ingenjör Victor Beck, tidningens huvudförfattare. "Roman, Högpresterande elektroder kommer att vara väsentliga komponenter i nästa generations elektrokemiska reaktorarkitekturer. Detta framsteg visar hur vi kan utnyttja kontrollen som 3D-utskriftskapacitet erbjuder över elektrodstrukturen för att konstruera det lokala vätskeflödet och inducera komplexa, tröghetsflödesmönster som förbättrar reaktorns prestanda."
Genom 3D-utskrift, forskare visade att genom att kontrollera elektrodernas flödeskanalgeometri, de kan optimera elektrokemiska reaktioner samtidigt som de minimerar kompromisserna i heltidsekvivalenter gjorda på traditionella sätt. Typiska material som används i heltid är "ordnade" media, som kolfiberbaserade skum eller filtar, begränsa möjligheterna att konstruera sin mikrostruktur. Även om det är billigt att tillverka, de slumpvis ordnade materialen lider av ojämnt flöde och masstransportfördelning, förklarade forskare.
"Genom att 3D-printa avancerade material som kolaerogeler, det är möjligt att konstruera makroporösa nätverk i dessa material utan att kompromissa med de fysiska egenskaperna såsom elektrisk ledningsförmåga och ytarea, " sa medförfattaren Swetha Chandrasekaran.
Teamet rapporterade heltidsekvivalenterna, tryckt i gitterstrukturer genom en direkt bläckskrivmetod, förbättrad massöverföring jämfört med tidigare rapporterade 3D-utskrivna försök med 1-2 storleksordningar, och uppnådde prestanda i nivå med konventionella material.
Eftersom den kommersiella livskraften och utbredda användningen av elektrokemiska reaktorer är beroende av att uppnå större massöverföring, förmågan att konstruera flödet i heltid kommer att göra tekniken till ett mycket mer attraktivt alternativ för att hjälpa till att lösa den globala energikrisen, sa forskare. Förbättring av prestanda och förutsägbarhet hos 3D-printade elektroder gör dem också lämpliga för användning i uppskalade reaktorer för högeffektiva elektrokemiska omvandlare.
"Att få fin kontroll över elektrodgeometrier kommer att möjliggöra avancerad elektrokemisk reaktorteknik som inte var möjlig med tidigare generationers elektrodmaterial, ", sa medförfattaren Anna Ivanovskaya. "Ingenjörer kommer att kunna designa och tillverka strukturer optimerade för specifika processer. Potentiellt, med utveckling av tillverkningsteknik, 3D-printade elektroder kan ersätta konventionella oordnade elektroder för både vätske- och gasreaktorer."
LLNL-forskare och ingenjörer undersöker för närvarande användningen av elektrokemiska reaktorer inom en rad olika tillämpningar, inklusive konvertering av CO 2 till användbara bränslen och polymerer och elektrokemisk energilagring för att möjliggöra ytterligare distribution av el från kolfria och förnybara källor. Forskare sa att de lovande resultaten kommer att tillåta dem att snabbt utforska effekten av konstruerade elektrodarkitekturer utan dyra industrialiserade tillverkningstekniker.
Arbete pågår på LLNL för att producera mer robusta elektroder och reaktorkomponenter med högre upplösningar genom ljusbaserade 3D-polymerutskriftstekniker som projektionsmikrostereolitografi och tvåfotonlitografi, flödade genom metallisering. Teamet kommer också att utnyttja högpresterande datoranvändning för att designa bättre presterande strukturer och fortsätta att distribuera de 3D-printade elektroderna i större och mer komplexa reaktorer och kompletta elektrokemiska celler.
