Per la prima volta, Gli ingegneri del Lawrence Livermore National Laboratory hanno elettrodi a flusso continuo di carbonio (FTE) stampati in 3D, elettrodi porosi responsabili delle reazioni nei reattori, da aerogel di grafene. Sfruttando la libertà di progettazione offerta dalla stampa 3D, i ricercatori hanno dimostrato di poter adattare il flusso in FTE, migliorando drasticamente il trasferimento di massa, il trasporto di reagenti liquidi o gassosi attraverso gli elettrodi e sulle superfici reattive. Credito:Lawrence Livermore National Laboratory
Per sfruttare la crescente abbondanza e i costi più bassi delle energie rinnovabili, Gli scienziati e gli ingegneri del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) stanno stampando in 3D elettrodi a flusso continuo (FTE), componenti principali dei reattori elettrochimici utilizzati per convertire la CO 2 e altre molecole a prodotti utili.
Come descritto in un documento pubblicato dal Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Gli ingegneri LLNL per la prima volta FTE di carbonio stampati in 3D, elettrodi porosi responsabili delle reazioni nei reattori, da aerogel di grafene. Sfruttando la libertà di progettazione offerta dalla stampa 3D, i ricercatori hanno dimostrato di poter adattare il flusso in FTE, migliorando drasticamente il trasferimento di massa, il trasporto di reagenti liquidi o gassosi attraverso gli elettrodi e sulle superfici reattive. Il lavoro apre le porte per stabilire la stampa 3D come un "percorribile, metodo versatile di prototipazione rapida" per elettrodi a flusso continuo e come percorso promettente per massimizzare le prestazioni del reattore, secondo i ricercatori.
"In LLNL stiamo aprendo la strada all'uso di reattori tridimensionali con un controllo preciso sull'ambiente di reazione locale, " ha detto l'ingegnere LLNL Victor Beck, l'autore principale del documento. "Romanzo, gli elettrodi ad alte prestazioni saranno componenti essenziali delle architetture di reattori elettrochimici di prossima generazione. Questo progresso dimostra come possiamo sfruttare il controllo che le capacità di stampa 3D offrono sulla struttura dell'elettrodo per progettare il flusso del fluido locale e indurre complessi, modelli di flusso inerziale che migliorano le prestazioni del reattore."
Attraverso la stampa 3D, i ricercatori hanno dimostrato che controllando la geometria del canale di flusso degli elettrodi, potrebbero ottimizzare le reazioni elettrochimiche riducendo al minimo i compromessi osservati negli FTE realizzati con mezzi tradizionali. I materiali tipici utilizzati negli FTE sono i media "disordinati", come schiume o feltri a base di fibra di carbonio, limitando le opportunità di ingegnerizzare la loro microstruttura. Anche se a buon mercato da produrre, i materiali ordinati casualmente soffrono di flusso irregolare e distribuzione del trasporto di massa, hanno spiegato i ricercatori.
"Con la stampa 3D di materiali avanzati come gli aerogel di carbonio, è possibile progettare reti macroporose in questi materiali senza compromettere le proprietà fisiche come la conduttività elettrica e l'area superficiale, ", ha affermato la co-autrice Swetha Chandrasekaran.
Il team ha riportato gli FTE, stampato in strutture reticolari attraverso un metodo di scrittura a inchiostro diretto, trasferimento di massa migliorato rispetto agli sforzi stampati in 3D precedentemente riportati di 1-2 ordini di grandezza, e ha raggiunto prestazioni alla pari con i materiali convenzionali.
Poiché la fattibilità commerciale e l'adozione diffusa di reattori elettrochimici dipende dal raggiungimento di un maggiore trasferimento di massa, la capacità di ingegnerizzare il flusso negli FTE renderà la tecnologia un'opzione molto più attraente per aiutare a risolvere la crisi energetica globale, ricercatori hanno detto. Il miglioramento delle prestazioni e della prevedibilità degli elettrodi stampati in 3D li rende anche adatti all'uso in reattori in scala per convertitori elettrochimici ad alta efficienza.
"Ottenere un controllo preciso sulle geometrie degli elettrodi consentirà l'ingegneria avanzata dei reattori elettrochimici che non era possibile con i materiali degli elettrodi della generazione precedente, " ha affermato la co-autrice Anna Ivanovskaya. "Gli ingegneri saranno in grado di progettare e produrre strutture ottimizzate per processi specifici. potenzialmente, con lo sviluppo della tecnologia di produzione, Gli elettrodi stampati in 3D possono sostituire gli elettrodi disordinati convenzionali per reattori di tipo sia a liquido che a gas".
Gli scienziati e gli ingegneri LLNL stanno attualmente esplorando l'uso di reattori elettrochimici in una vasta gamma di applicazioni, inclusa la conversione di CO 2 a combustibili e polimeri utili e allo stoccaggio di energia elettrochimica per consentire un ulteriore dispiegamento di elettricità da fonti rinnovabili e prive di carbonio. I ricercatori hanno affermato che i risultati promettenti consentiranno loro di esplorare rapidamente l'impatto delle architetture di elettrodi ingegnerizzati senza costose tecniche di produzione industrializzata.
Presso LLNL sono in corso lavori per produrre elettrodi più robusti e componenti del reattore a risoluzioni più elevate attraverso tecniche di stampa polimerica 3D a base di luce come la micro-stereolitografia a proiezione e la litografia a due fotoni, scorreva per metallizzazione. Il team sfrutterà inoltre il calcolo ad alte prestazioni per progettare strutture con prestazioni migliori e continuare a distribuire gli elettrodi stampati in 3D in reattori più grandi e complessi e celle elettrochimiche complete.
