Metais nanoporosos são catalisadores superiores para reações químicas devido à sua grande área de superfície e alta condutividade elétrica, tornando-os candidatos perfeitos para aplicações como reatores eletroquímicos, sensores e atuadores.

Em um estudo publicado hoje na revista Avanços da Ciência , Pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), junto com seus colegas da Universidade de Harvard, relatório sobre a impressão 3-D hierárquica de ouro nanoporoso, uma prova de conceito que os pesquisadores dizem que pode revolucionar o design de reatores químicos.

"Se você considerar os processos de usinagem tradicionais, consome muito tempo e você desperdiça muitos materiais - também, você não tem a capacidade de criar estruturas complexas, "disse o pesquisador de pós-doutorado do LLNL Zhen Qi, um co-autor no artigo. "Ao usar a impressão 3-D, podemos realizar estruturas macroporosas com padrões de fluxo específicos de aplicativos. Ao criar estruturas hierárquicas, nós fornecemos caminhos para transporte rápido de massa para aproveitar ao máximo a grande área de superfície de materiais nanoporosos. É também uma forma de economizar materiais, especialmente metais preciosos. "

Combinando a impressão 3-D por meio de escrita direta com tinta baseada em extrusão e um processo de liga e desalimentação, pesquisadores foram capazes de projetar o ouro nanoporoso em três escalas distintas, da microescala à nanoescala, relatar a estrutura hierárquica "melhora drasticamente o transporte de massa e as taxas de reação para líquidos e gases". Com a capacidade de manipular a área de superfície do catalisador para gerar reações eletroquímicas por meio de impressão 3-D, pesquisadores disseram que o desenvolvimento pode ter um grande impacto nas plantas eletroquímicas, que hoje dependem principalmente de energia térmica.

"Ao controlar a morfologia multiescala e a área de superfície de materiais porosos 3-D, você pode começar a manipular as propriedades de transporte de massa desses materiais, "disse Eric Duoss, pesquisador do LLNL." Com estruturas hierárquicas, você tem canais que podem lidar com a transferência de reagentes e produtos para diferentes reações. É como sistemas de transporte, onde você vai de vias expressas de sete faixas para rodovias de várias faixas para vias públicas e ruas laterais, mas em vez de transportar veículos, estamos transportando moléculas. "

Alcançar o produto acabado exigiu várias etapas. O pesquisador do LLNL, Cheng Zhu, e o ex-pós-doutorado Wen Chen, criaram tintas feitas de micropartículas de ouro e prata. Após a impressão, as peças 3-D foram colocadas em um forno para permitir que as partículas se aglutinassem em uma liga de ouro-prata. Em seguida, eles colocaram as peças em um banho químico que removeu a prata (um processo chamado "desalojamento") para formar ouro poroso dentro de cada viga ou filamento.

"A parte final é uma arquitetura de ouro hierárquica 3-D que compreende os poros impressos em macroescala e os poros em nanoescala que resultam da desalfiação, "disse Chen, que atualmente é professor da University of Massachusetts-Amherst. "Essas arquiteturas 3-D hierárquicas nos permitem controlar digitalmente a morfologia dos macroporos, o que nos permitiu perceber o comportamento de transporte de massa rápido desejado. "

Zhu e Chen disseram que o método da equipe é um modelo que pode facilmente se estender a outros materiais de liga, como o magnésio, níquel e cobre, oferecendo uma caixa de ferramentas poderosa para fabricar arquiteturas de metal 3-D complexas com funcionalidades sem precedentes em campos como catálise, baterias, supercapacitores e até redução de dióxido de carbono.

Chen, que se concentrava na impressão e pós-processamento de peças, disse que a chave para o processo era desenvolver tintas com comportamento de fluxo adequado, permitindo-lhes formar filamentos contínuos sob pressão e solidificar ao sair do micro-bico da impressora para reter sua forma filamentar.

O desafio da catálise é combinar alta área de superfície com rápido transporte de massa, de acordo com o pesquisador do LLNL Juergen Biener, que desenvolve novos materiais catalisadores para IMASC, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo Departamento de Energia dos EUA.

"Embora a manufatura aditiva seja uma ferramenta ideal para criar estruturas complexas em macroescala, permanece extremamente difícil introduzir diretamente as nanoestruturas que fornecem a alta área de superfície necessária, "Biener disse." Superamos esse desafio desenvolvendo uma abordagem baseada em tinta metálica que nos permitiu introduzir a nanoporosidade por meio de um processo de corrosão seletiva chamado desalfiamento. "

Biener disse que a abordagem baseada em extrusão do LLNL é universal e escalável, fornece controle sem ferramentas sobre a forma macroscópica da amostra, e - o mais importante - permite a integração da nanoporosidade em uma estrutura de rede macroporosa projetada para aplicações específicas. As vantagens combinadas abrem um novo espaço de design para reator químico e dispositivos de armazenamento / conversão de energia, ele disse, acrescentando que os materiais resultantes podem potencialmente revolucionar o design de fábricas de produtos químicos, alterando as relações de escala entre o volume e a área de superfície.

O projeto é um estudo de viabilidade de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório que alimenta uma proposta de iniciativa estratégica liderada por Duoss e a pesquisadora LLNL Sarah Baker para criar reatores eletroquímicos 3-D nos quais os cientistas poderiam exercer maior controle sobre os catalisadores e reduzir as limitações de transporte. Os pesquisadores disseram que, em vez de grandes usinas eletroquímicas, normalmente localizado perto de refinarias de petróleo ou em áreas remotas, redes de reatores modulares poderiam ser criadas em uma série que poderia ser facilmente substituível e transportável para realocação perto de fontes de energia renovável abundante ou dióxido de carbono.

"Restam muitos desafios científicos e de engenharia, mas pode ter um impacto significativo, "disse Chris Spadaccini, diretor do Centro de Materiais de Engenharia e Manufatura do LLNL. "Aumentar a escala deve ser mais fácil com reatores de pequena escala porque você pode paralelizar. Você poderia ter uma série de pequenos reatores 3-D juntos em vez de um grande recipiente, permitindo controlar o processo de reação química de forma mais eficaz."

Os pesquisadores disseram que já estão começando a explorar outros materiais que podem ser catalisadores para outras reações. A equipe LLNL colaborou com Cynthia Friend, professor de Química e Biologia Química em Harvard, através do Centro de Pesquisa de Fronteiras do Departamento de Energia. Cientistas de Harvard realizaram testes em amostras das peças, mostrando que suas estruturas hierárquicas facilitam o transporte de massa.

Os co-autores do LLNL incluem Marcus Worsley, Victor Beck, Jianchao Ye, junto com Mathilde Luneau e Judith Lattimer em Harvard.