团队使用3D打印优化电化学反应器的流通电极

为了利用可再生能源日益丰富且成本低廉的优势，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL) 的科学家和工程师正在 3D 打印流通电极 (FTE)，这是用于将 CO 2和其他分子转化为有用的电化学反应器的核心组件产品。

正如《国家科学院院刊》发表的一篇论文所述，LLNL 工程师首次从石墨烯气凝胶中 3D 打印碳 FTE(负责反应器中反应的多孔电极)。通过利用 3D 打印提供的设计自由，研究人员证明他们可以定制 FTE 中的流动，显着改善传质——液体或气体反应物通过电极传输到反应表面。据研究人员称，这项工作为将 3D 打印确立为流通电极的“可行、通用的快速原型制作方法”以及最大化反应器性能的有希望的途径打开了大门。

“在 LLNL，我们率先使用三维反应器，精确控制局部反应环境，”该论文的主要作者、LLNL工程师Victor Beck说。“新型高性能电极将成为下一代电化学反应器架构的重要组成部分。这一进步展示了我们如何利用 3D 打印功能对电极结构提供的控制来设计局部流体流动并诱导复杂的惯性流动模式从而提高反应堆性能。”

通过 3D 打印，研究人员证明，通过控制电极的流动通道几何形状，他们可以优化电化学反应，同时最大限度地减少通过传统方法制造的 FTE 中的权衡。FTE 中使用的典型材料是“无序”介质，例如基于碳纤维的泡沫或毡，限制了对其微观结构进行设计的机会。研究人员解释说，虽然生产成本低廉，但随机排列的材料会受到不均匀的流动和质量传输分布的影响。

“通过 3D 打印碳气凝胶等先进材料，可以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，”合著者 Swetha Chandrasekaran 说。

团队报道的全职员工，通过直接的油墨写入方法印刷在晶格结构，增强的传质过先前报道的3D由1-2个数量级印刷的努力，并且在同水准达到的性能与常规的材料。

因为商业上的可行性电化学反应器，并广泛采用依赖于实现更大程度的传质，研究人员说，在全职员工的能力，以工程师的流动将使该技术帮助解决全球能源危机的一个更具吸引力的选择。改善3D印刷电极的性能和可预测性也使得它们适合用于高效率的电化学转换器按比例放大的反应器的使用。

“获得过的电极几何形状的精细控制将使先进电化学反应器的工程，这是不可能的前一代的电极材料，”共同作者安娜伊万诺沃说。“工程师将能够设计和针对特定进程优化制造结构。可能地，与制造技术的发展，三维印刷电极可以代替常规的无序电极，用于液体和气体型反应器”。

LLNL科学家和工程师目前正在研究利用电化学反应器在一系列应用中，包括将CO转化2至有用的燃料和聚合物和电化学能量存储，以使从碳-自由和可再生能源的电力的进一步部署。研究人员说，有希望的结果将使他们能够迅速地探索设计的影响，电极结构，无需昂贵的工业化生产技术。

LLNL 正在进行工作，以通过基于光的 3D 聚合物打印技术(例如投影微立体光刻和双光子光刻，通过金属化流动)以更高分辨率生产更坚固的电极和反应器组件。该团队还将利用高性能计算来设计性能更好的结构，并继续在更大、更复杂的反应器和全电化学电池中部署 3D 打印电极。

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