神奇的3D打印 | 可优化电化学反应器的贯穿式电极

江苏激光联盟导读：

可再生能源炙手可热，恰似明日之星。如何使可再生能源效用优化，3D打印作为流通电极的可行的、通用的“速成法”，最大限度提高反应器性能的一种途径，正发挥着重要作用！劳伦斯·利弗莫尔国家实验室LLNL的科学家和工程师们利用3D打印电极(FTEs)，将CO2和其他分子转化为优质产品电化学反应器的核心组件。

3D打印技术作为近年来新兴的一种革命性产业技术，呈现出的快速增长趋势令各行各业始料未及，在医疗、环保等行业也有了众多可喜的应用。3D打印或可为可再生能源发展献上一剂”良方“。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的工程师们首次从石墨烯气凝胶中获得了3D打印的贯穿式电极(flow-through electrodes - FTEs)——负责反应器中反应的多孔电极。通过3D打印，研究人员证明他们可以“定制”流动，大大改善液体或气体反应物通过电极并传输至反应表面的传质。图片由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）所提供。

LLNL工程师Victor Beck说：“我们正探索使用三维反应器，精确控制局部反应环境。新型高性能电极将是下一代电化学反应器架构的重要组成部分。我们可以利用3D打印对电极结构的控制功能来设计局部流动，形成复杂的惯性流动模式，从而提高反应器性能。”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，可以优化电化学反应，同时最大限度地弥补传统FTE的缺陷。传统而言，一般是“无序”介质，如碳纤维基泡沫或毡，难以控制微结构。合著者Swetha Chandrasekaran说：“通过3D打印碳气凝胶等先进材料，有可能在这些材料中构建大孔网络，而不会损害电导率和表面积等物理性能。”

该团队论证了与以前的3D打印相比，通过墨水直写方法打印在晶体结构的传质增强了1-2个数量级，并获得了与传统材料相当的性能。研究人员表示，由于电化学反应器的商业可行性和广泛性取决于获得更大的传质，因此提升FTE流力将为解决全球能源危机提供更具吸引力的选择。提高3D打印电极的性能和可预测性也使其适用于高效电化学转换器的放大反应器。合著者Anna Ivanovskaya表示：“工程师将能够设计和制造针对特定工艺优化的结构。随着制造技术的发展，3D打印电极可能会取代传统的液体和气体类型反应器的无序电极。”

全球最先进的3D打印实验室-LLNL国家实验室中的3D打印小型发动机 来源：3ders

LLNL的科学家和工程师目前正在探索电化学反应器在一系列应用中的用途，包括将二氧化碳转化为有用的燃料和聚合物，以及电化学储能，以进一步利用无碳、可再生资源发电。通过光聚合3D印刷技术，如投影微立体光刻和双光子光刻，能以更高的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。

来源：Inertially enhanced mass transport using3D-printed porous flow-through electrodes with periodic lattice structures, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021).