Les métaux nanoporeux sont des catalyseurs supérieurs pour les réactions chimiques en raison de leur grande surface et de leur conductivité électrique élevée, ce qui en fait des candidats parfaits pour des applications telles que les réacteurs électrochimiques, capteurs et actionneurs.

Dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue Avancées scientifiques , Chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), avec leurs homologues de l'Université Harvard, rapport sur l'impression 3D hiérarchique d'or nanoporeux, une preuve de concept qui, selon les chercheurs, pourrait révolutionner la conception des réacteurs chimiques.

"Si vous considérez les procédés d'usinage traditionnels, cela prend du temps et vous gaspillez beaucoup de matériaux - aussi, vous n'avez pas la capacité de créer des structures complexes, " a déclaré Zhen Qi, chercheur postdoctoral au LLNL, un co-auteur sur le papier. "En utilisant l'impression 3D, nous pouvons réaliser des structures macroporeuses avec des modèles de flux spécifiques à l'application. En créant des structures hiérarchiques, nous proposons des voies de transport de masse rapide pour tirer pleinement parti de la grande surface des matériaux nanoporeux. C'est aussi un moyen d'économiser de la matière, en particulier les métaux précieux."

Combinant l'impression 3D par écriture directe à l'encre par extrusion et un processus d'alliage et de désalliage, les chercheurs ont pu concevoir l'or nanoporeux en trois échelles distinctes, de l'échelle microscopique à l'échelle nanométrique, signaler la structure hiérarchique "améliore considérablement le transport de masse et les taux de réaction pour les liquides et les gaz". Avec la possibilité de manipuler la surface du catalyseur pour générer des réactions électrochimiques par impression 3D, les chercheurs ont déclaré que le développement pourrait avoir un impact majeur sur les usines électrochimiques, qui reposent aujourd'hui principalement sur l'énergie thermique.

"En contrôlant la morphologie multi-échelle et la surface des matériaux poreux 3D, vous pouvez commencer à manipuler les propriétés de transport de masse de ces matériaux, " a déclaré Eric Duoss, chercheur au LLNL. " Avec des structures hiérarchiques, vous disposez de canaux qui peuvent gérer le transfert de réactifs et de produits pour différentes réactions. C'est comme les systèmes de transport, où vous passez des autoroutes à sept voies aux autoroutes à plusieurs voies en passant par les artères et les rues secondaires, mais au lieu de transporter des véhicules, nous transportons des molécules."

La réalisation du produit fini a nécessité plusieurs étapes. Le chercheur du LLNL Cheng Zhu et l'ancien postdoctorant Wen Chen ont créé des encres composées de microparticules d'or et d'argent. Après impression, les pièces en 3D ont été placées dans un four pour permettre aux particules de fusionner en un alliage or-argent. Ensuite, ils ont mis les pièces dans un bain chimique qui a éliminé l'argent (un processus appelé « désalliage ») pour former de l'or poreux à l'intérieur de chaque faisceau ou filament.

"La dernière partie est une architecture d'or hiérarchique 3-D comprenant les pores imprimés à l'échelle macro et les pores à l'échelle nanométrique qui résultent du désalliage, " dit Chen, qui est actuellement professeur à l'Université du Massachusetts-Amherst. « De telles architectures 3D hiérarchiques nous permettent de contrôler numériquement la morphologie des macropores, ce qui nous a permis de réaliser le comportement de transport de masse rapide souhaité."

Zhu et Chen ont déclaré que la méthode de l'équipe est un modèle qui pourrait facilement s'étendre à d'autres matériaux d'alliage tels que le magnésium, nickel et cuivre, offrant une puissante boîte à outils pour fabriquer des architectures métalliques 3-D complexes avec des fonctionnalités inédites dans des domaines tels que la catalyse, piles, supercondensateurs et même réduction du dioxyde de carbone.

Chen, qui s'est concentré sur l'impression et le post-traitement des pièces, a déclaré que la clé du processus était de développer des encres avec un comportement d'écoulement bien adapté, leur permettant de former des filaments continus sous pression et de se solidifier à la sortie de la micro-buse de l'imprimante pour conserver leur forme filamenteuse.

Le défi de la catalyse est de combiner une grande surface avec un transport de masse rapide, selon Juergen Biener, chercheur au LLNL, qui développe de nouveaux matériaux catalyseurs pour IMASC, un centre de recherche Energy Frontier financé par le département américain de l'Énergie.

"Alors que la fabrication additive est un outil idéal pour créer des structures macroscopiques complexes, il reste extrêmement difficile d'introduire directement les nanostructures qui apportent la grande surface spécifique requise, " a déclaré Biener. " Nous avons surmonté ce défi en développant une approche à base d'encre métallique qui nous a permis d'introduire la nanoporosité par le biais d'un processus de corrosion sélective appelé désalliage. "

Biener a déclaré que l'approche basée sur l'extrusion de LLNL est universelle et évolutive, fournit un contrôle sans outil sur la forme macroscopique de l'échantillon, et, plus important encore, permet l'intégration de la nanoporosité dans une structure de réseau macroporeux spécifique à l'application. Les avantages combinés ouvrent un nouvel espace de conception pour les réacteurs chimiques et les dispositifs de stockage/conversion d'énergie, il a dit, ajoutant que les matériaux résultants peuvent potentiellement révolutionner la conception des usines chimiques en modifiant les relations d'échelle entre le volume et la surface.

Le projet est une étude de faisabilité de recherche et développement dirigée par un laboratoire qui alimente une initiative stratégique proposée dirigée par Duoss et la chercheuse du LLNL Sarah Baker pour créer des réacteurs électrochimiques 3D dans lesquels les scientifiques pourraient exercer un meilleur contrôle sur les catalyseurs et réduire les limitations de transport. Les chercheurs ont dit qu'au lieu de grandes usines électrochimiques, généralement situé à proximité des raffineries de pétrole ou dans des régions éloignées, des réseaux de réacteurs modulaires pourraient être créés en une série qui pourrait être facilement remplaçable et transportable pour la relocalisation à proximité de sources abondantes d'énergie renouvelable ou de dioxyde de carbone.

"Il reste tout un tas de défis scientifiques et techniques, mais cela pourrait avoir un impact important, " a déclaré Chris Spadaccini, directeur du Centre des matériaux d'ingénierie et de fabrication de LLNL. « La mise à l'échelle devrait être plus facile avec des réacteurs à petite échelle car vous pouvez effectuer la parallélisation. Vous pourriez avoir un ensemble de petits réacteurs 3D ensemble au lieu d'un grand récipient vous permettant de contrôler plus efficacement le processus de réaction chimique. »

Les chercheurs ont déclaré qu'ils commençaient déjà à explorer d'autres matériaux qui pourraient être des catalyseurs pour d'autres réactions. L'équipe LLNL a collaboré avec Cynthia Friend, professeur de chimie et de biologie chimique à Harvard, par le biais du Centre de recherche sur les frontières du ministère de l'Énergie. Les scientifiques de Harvard ont effectué des tests sur des échantillons de pièces, montrant que leurs structures hiérarchiques facilitent les transports en commun.

Les co-auteurs de LLNL comprenaient Marcus Worsley, Victor Beck, Jianchao Ye, avec Mathilde Luneau et Judith Lattimer à Harvard.