p Para aproveitar a crescente abundância e custos mais baratos de energia renovável, Cientistas e engenheiros do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) são eletrodos de fluxo de impressão 3D (FTEs), componentes principais de reatores eletroquímicos usados ​​para converter CO ₂ e outras moléculas para produtos úteis. p Conforme descrito em um artigo publicado pela Proceedings of the National Academy of Sciences , Os engenheiros do LLNL pela primeira vez FTEs de carbono impressos em 3D - eletrodos porosos responsáveis ​​pelas reações nos reatores - a partir de aerogéis de grafeno. Ao capitalizar a liberdade de design proporcionada pela impressão 3D, pesquisadores demonstraram que podem adaptar o fluxo em FTEs, melhorando dramaticamente a transferência de massa - o transporte de reagentes líquidos ou gasosos através dos eletrodos e para as superfícies reativas. O trabalho abre a porta para estabelecer a impressão 3D como um "viável, método versátil de prototipagem rápida "para eletrodos de fluxo e como um caminho promissor para maximizar o desempenho do reator, de acordo com os pesquisadores.

p "No LLNL, somos pioneiros no uso de reatores tridimensionais com controle preciso sobre o ambiente de reação local, "disse o engenheiro do LLNL Victor Beck, o autor principal do artigo. "Romance, eletrodos de alto desempenho serão componentes essenciais das arquiteturas de reatores eletroquímicos de próxima geração. Este avanço demonstra como podemos alavancar o controle que os recursos de impressão 3D oferecem sobre a estrutura do eletrodo para projetar o fluxo de fluido local e induzir complexos, padrões de fluxo inercial que melhoram o desempenho do reator. "

p Por meio da impressão 3D, pesquisadores demonstraram que, controlando a geometria do canal de fluxo dos eletrodos, eles poderiam otimizar as reações eletroquímicas ao mesmo tempo em que minimizam as compensações vistas em FTEs feitos por meios tradicionais. Os materiais típicos usados ​​em FTEs são meios "desordenados", como espumas ou feltros à base de fibra de carbono, limitar as oportunidades de engenharia de sua microestrutura. Embora seja barato de produzir, os materiais ordenados aleatoriamente sofrem de fluxo desigual e distribuição de transporte de massa, pesquisadores explicaram.

p "Ao imprimir materiais avançados em 3D, como aerogéis de carbono, é possível projetar redes macroporosas neste material sem comprometer as propriedades físicas, como condutividade elétrica e área de superfície, "disse a co-autora Swetha Chandrasekaran.

p A equipe relatou os FTEs, impresso em estruturas reticuladas por meio de um método de escrita direta com tinta, transferência de massa aprimorada em relação aos esforços impressos em 3D relatados anteriormente em 1-2 ordens de magnitude, e alcançou desempenho em pé de igualdade com os materiais convencionais.

p Como a viabilidade comercial e a adoção generalizada de reatores eletroquímicos dependem da obtenção de uma maior transferência de massa, a capacidade de projetar fluxo em FTEs tornará a tecnologia uma opção muito mais atraente para ajudar a resolver a crise global de energia, pesquisadores disseram. Melhorar o desempenho e a previsibilidade dos eletrodos impressos em 3D também os torna adequados para uso em reatores ampliados para conversores eletroquímicos de alta eficiência.

p "Obter um controle preciso sobre as geometrias dos eletrodos permitirá uma engenharia eletroquímica avançada do reator que não era possível com os materiais de eletrodos da geração anterior, "disse a coautora Anna Ivanovskaya." Os engenheiros serão capazes de projetar e fabricar estruturas otimizadas para processos específicos. Potencialmente, com o desenvolvimento de tecnologia de fabricação, Eletrodos impressos em 3D podem substituir eletrodos desordenados convencionais para reatores de tipo líquido e gasoso. "

p Cientistas e engenheiros do LLNL estão atualmente explorando o uso de reatores eletroquímicos em uma gama de aplicações, incluindo conversão de CO ₂ para combustíveis e polímeros úteis e armazenamento de energia eletroquímica para permitir uma maior implantação de eletricidade de fontes renováveis ​​e livres de carbono. Os pesquisadores disseram que os resultados promissores permitirão que explorem rapidamente o impacto das arquiteturas de eletrodo projetadas sem técnicas caras de manufatura industrializada.

p O trabalho está em andamento no LLNL para produzir eletrodos e componentes de reator mais robustos em resoluções mais altas por meio de técnicas de impressão de polímero 3D à base de luz, como microestereolitografia de projeção e litografia de dois fótons, fluiu por metalização. A equipe também aproveitará a computação de alto desempenho para projetar estruturas de melhor desempenho e continuar a implantar os eletrodos impressos em 3D em reatores maiores e mais complexos e células eletroquímicas completas.