Por primera vez, Los ingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore tienen electrodos de paso de carbono (FTE) impresos en 3D, electrodos porosos responsables de las reacciones en los reactores, a partir de aerogeles de grafeno. Aprovechando la libertad de diseño que ofrece la impresión 3D, los investigadores demostraron que podían adaptar el flujo en FTE, mejorando drásticamente la transferencia de masa:el transporte de reactivos líquidos o gaseosos a través de los electrodos y sobre las superficies reactivas. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Para aprovechar la creciente abundancia y los costos más baratos de la energía renovable, Los científicos e ingenieros del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) son electrodos de flujo continuo (FTE) de impresión 3D, componentes centrales de reactores electroquímicos utilizados para convertir CO 2 y otras moléculas a productos útiles.
Como se describe en un artículo publicado por el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , LLNL diseñó por primera vez FTE de carbono impresos en 3D, electrodos porosos responsables de las reacciones en los reactores, a partir de aerogeles de grafeno. Aprovechando la libertad de diseño que ofrece la impresión 3D, los investigadores demostraron que podían adaptar el flujo en FTE, mejorando drásticamente la transferencia de masa:el transporte de reactivos líquidos o gaseosos a través de los electrodos y sobre las superficies reactivas. El trabajo abre la puerta para establecer la impresión 3D como un "viable, método versátil de creación rápida de prototipos "para electrodos de flujo continuo y como una vía prometedora para maximizar el rendimiento del reactor, según los investigadores.
"En LLNL somos pioneros en el uso de reactores tridimensionales con un control preciso sobre el entorno de reacción local, "dijo el ingeniero de LLNL Victor Beck, el autor principal del artículo. "Novela, Los electrodos de alto rendimiento serán componentes esenciales de las arquitecturas de reactores electroquímicos de próxima generación. Este avance demuestra cómo podemos aprovechar el control que ofrecen las capacidades de impresión 3D sobre la estructura del electrodo para diseñar el flujo de fluido local e inducir el complejo, patrones de flujo inercial que mejoran el rendimiento del reactor ".
Mediante impresión 3D, Los investigadores demostraron que al controlar la geometría del canal de flujo de los electrodos, podrían optimizar las reacciones electroquímicas al tiempo que minimizan las compensaciones observadas en los FTE realizados a través de medios tradicionales. Los materiales típicos utilizados en los FTE son medios "desordenados", como espumas o fieltros a base de fibra de carbono, limitar las oportunidades para diseñar su microestructura. Si bien es barato de producir, los materiales ordenados aleatoriamente sufren de flujo desigual y distribución de transporte masivo, explicaron los investigadores.
"Al imprimir en 3D materiales avanzados como aerogeles de carbono, Es posible diseñar redes macroporosas en este material sin comprometer las propiedades físicas como la conductividad eléctrica y el área de superficie. "dijo el coautor Swetha Chandrasekaran.
El equipo informó los FTE, impreso en estructuras de celosía a través de un método de escritura de tinta directa, transferencia de masa mejorada sobre los esfuerzos impresos en 3D previamente reportados en 1-2 órdenes de magnitud, y logró un rendimiento a la par con los materiales convencionales.
Dado que la viabilidad comercial y la adopción generalizada de reactores electroquímicos dependen de lograr una mayor transferencia de masa, la capacidad de diseñar el flujo en FTE hará que la tecnología sea una opción mucho más atractiva para ayudar a resolver la crisis energética global, dijeron los investigadores. La mejora del rendimiento y la previsibilidad de los electrodos impresos en 3D también los hace adecuados para su uso en reactores ampliados para convertidores electroquímicos de alta eficiencia.
"Obtener un control preciso sobre las geometrías de los electrodos permitirá una ingeniería avanzada de reactores electroquímicos que no era posible con los materiales de electrodos de la generación anterior". ", dijo la coautora Anna Ivanovskaya." Los ingenieros podrán diseñar y fabricar estructuras optimizadas para procesos específicos. Potencialmente, con el desarrollo de la tecnología de fabricación, Los electrodos impresos en 3D pueden reemplazar los electrodos desordenados convencionales para reactores de tipo líquido y gaseoso ".
Los científicos e ingenieros de LLNL están explorando actualmente el uso de reactores electroquímicos en una variedad de aplicaciones, incluida la conversión de CO 2 a combustibles y polímeros útiles y al almacenamiento de energía electroquímica para permitir un mayor despliegue de electricidad procedente de fuentes renovables y libres de carbono. Los investigadores dijeron que los resultados prometedores les permitirán explorar rápidamente el impacto de las arquitecturas de electrodos diseñados sin costosas técnicas de fabricación industrializadas.
Se está trabajando en LLNL para producir electrodos y componentes de reactores más robustos a resoluciones más altas mediante técnicas de impresión de polímeros en 3D basadas en la luz, como la microestereolitografía de proyección y la litografía de dos fotones. fluyó por metalización. El equipo también aprovechará la informática de alto rendimiento para diseñar estructuras de mejor rendimiento y continuar desplegando los electrodos impresos en 3D en reactores más grandes y complejos y celdas electroquímicas completas.
