纳米多孔金的分层3D印刷“革新”了电化学反应器的设计

图片来源:Ryan Chen/LLNL

劳伦斯•利弗莫尔国家实验室研究员Cheng Zhu 和前实验室博士后Wen Chen发明了由金银微粒制成的墨水。印刷后，对3D部件进行加热，以使颗粒凝聚成金-银合金。这些零件被放入化学浴中，除去银（一种称为“脱合金”的过程），在每个光束或灯丝内形成多孔金。

纳米多孔金属材料具有比表面积大、电导率高等优点，是电化学反应器、传感器和致动器等应用的理想催化剂。

在今天在《Science Advances》杂志上发表的一项研究中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)的研究人员与哈佛大学(Harvard University)的同行共同报道了纳米多孔金的分层3D打印，研究人员表示这可以彻底改变化学反应器的设计。

该篇论文的合著者LLNL博士后研究员Zhen Qi说：“如果你考虑传统的机械加工工艺，那会耗费时间并浪费大量材料，你也没有能力创造复杂的结构。通过使用3D打印，我们可以实现具有特定应用流动模式的大孔结构。通过创建分层结构，我们提供快速传质的途径，以充分利用纳米多孔材料的大表面积。这也是一种节省材料的方法，尤其对贵金属而言。

通过挤压直接墨水书写和合金化脱合金工艺的3D打印，研究人员能够将纳米孔金加工成三种不同的尺度，从微米尺度到纳米尺度，报告说这种分层结构“极大地改善了液体和气体的质量传输和反应速率。” 研究人员表示，由于能够通过3D打印控制催化剂的表面积来产生电化学反应，这一发展可能对电化学装置产生重大影响，目前电化学装置主要依靠热能。

LLNL的研究人员Eric Duoss说：“通过控制三维多孔材料的多尺度形貌和表面积，你就可以开始操纵这些材料的质量传输特性。具有层次结构的通道可以处理不同反应的反应物和产物的传递。这就像交通系统，从七车道的高速公路到多车道的高速公路，再到大道和侧街，但我们不是在运输车辆，而是在运输分子。”

完成成品需要几个步骤。LNL研究员Cheng Zhu 和前实验室博士后Wen Chen发明了由金银微粒制成的墨水。印刷后，对3D部件进行加热，以使颗粒凝聚成金-银合金。这些零件被放入化学浴中，除去银（一种称为“脱合金”的过程），在每个光束或灯丝内形成多孔金。

现任马萨诸塞大学阿默斯特分校教授的Chen说：“最后一部分是3D分层金结构，包括宏观印刷的孔隙和脱合金产生的纳米孔，这种分层的3D架构允许我们以数字方式控制大孔的形态，这使我们能够实现所需的快速质量传输行为。”

Zhu和Chen表示，该团队的方法是一个模型，可以很容易地扩展到镁、镍和铜等其他合金材料，为制造在催化、电池、超级电容器甚至二氧化碳减排等领域具有空前功能的复杂三维金属结构提供了一个强大的工具箱。

图片来源:Chen/LLNL

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)和哈佛大学(Harvard University)的研究人员将3D打印技术与合金化和脱合金化工艺相结合，成功地将纳米多孔金转化为微观结构的分层结构，这一进展彻底改变了化学反应器的设计。

专注于印刷和后处理部分的Chen表示，该工艺的关键是开发具有良好流动性能的油墨，使其能够在压力下形成连续长丝，并在离开打印机的微喷嘴时凝固以保持其丝状。

为由美国能源部资助的能源前沿研究中心的IMASC开发新催化剂材料的LLNL研究人员Juergen Biener表示，催化方面的挑战是将高比表面积与快速传质结合起来。

Biener 说：“虽然增材制造是创造复杂宏观尺度结构的理想工具，但直接引入提供所需高表面积的纳米结构仍然非常困难，我们通过开发基于金属油墨的方法克服了这一挑战，这种方法使我们能够通过称为脱合金的选择性腐蚀过程引入纳米孔隙。”

Biener表示，LLNL基于挤出的方法具有通用性和可扩展性，可以对宏观样品形状进行无模具控制，最重要的是，可以将纳米孔隙度整合到特定应用的工程大孔网络结构中。他说，这些综合优势为化学反应器和储能/转换装置开辟了新的设计空间，并补充说，由此产生的材料可能通过改变体积和表面积之间的比例关系来彻底改变化工厂的设计。

该项目是一个由实验室主导的研究和开发可行性研究，以支持由Duoss和LLNL研究人员Sarah Baker领导的一项战略计划，该计划旨在创建3D电化学反应器，科学家可以在其中对催化剂施加更大的控制并减少运输限制。研究人员表示，代替通常位于炼油厂附近或偏远地区的大型电化学工厂，模块化反应堆网络可以创建一系列，可以很容易地更换和运输，以便在大量可再生能源或二氧化碳源附近进行重新安置。

LLNL工程材料与制造中心主任Chris Spadaccini说：“还有很多科学和工程方面的挑战，但它可能产生重大影响。小型化反应堆更容易放大，因为你可以并行化。你可以用一组小型的三维反应器来代替一个大容器，这样你就能更有效地控制化学反应过程。”

研究人员表示，他们已经开始探索可能成为其他反应催化剂的其他材料。 LLNL团队通过能源部前沿研究中心与哈佛大学化学与化学生物学教授Cynthia Friend合作。哈佛大学的科学家们对这些零件的样品进行了测试，表明它们的等级结构便于大众运输。

LLNL的合着者包括Marcus Worsley，Victor Beck，Jianchao Ye，以及哈佛大学的Mathilde Luneau和Judith Lattimer。


文章来源于phys.org/news，由材料新闻在线团队编译，原文题目Hierarchical 3-D printing of nanoporous gold could 'revolutionize' electrochemical reactor design