Pour profiter de l'abondance croissante et des coûts moins chers des énergies renouvelables, Les scientifiques et ingénieurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) impriment en 3D des électrodes à flux continu (FTE), composants de base des réacteurs électrochimiques utilisés pour la conversion du CO 2 et d'autres molécules en produits utiles.

Comme décrit dans un article publié par le Actes de l'Académie nationale des sciences , LLNL conçoit pour la première fois des ETP en carbone imprimés en 3D, des électrodes poreuses responsables des réactions dans les réacteurs, à partir d'aérogels de graphène. En capitalisant sur la liberté de conception offerte par l'impression 3D, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient adapter le flux des ETP, améliorant considérablement le transfert de masse - le transport de réactifs liquides ou gazeux à travers les électrodes et sur les surfaces réactives. Le travail ouvre la porte à l'établissement de l'impression 3D en tant que « viable, méthode de prototypage rapide polyvalente" pour les électrodes à flux continu et comme voie prometteuse pour maximiser les performances du réacteur, selon les chercheurs.

"Chez LLNL, nous sommes pionniers dans l'utilisation de réacteurs tridimensionnels avec un contrôle précis de l'environnement de réaction local, " a déclaré l'ingénieur LLNL Victor Beck, l'auteur principal du journal. "Roman, les électrodes hautes performances seront des composants essentiels des architectures de réacteurs électrochimiques de prochaine génération. Cette avancée montre comment nous pouvons tirer parti du contrôle que les capacités d'impression 3D offrent sur la structure de l'électrode pour concevoir le flux de fluide local et induire un complexe, modèles d'écoulement inertiel qui améliorent les performances du réacteur.

Grâce à l'impression 3D, les chercheurs ont démontré qu'en contrôlant la géométrie du canal d'écoulement des électrodes, ils pourraient optimiser les réactions électrochimiques tout en minimisant les compromis observés dans les ETP réalisés par des moyens traditionnels. Les matériaux typiques utilisés dans les ETP sont des milieux "désordonnés", comme les mousses ou feutres à base de fibres de carbone, limitant les possibilités d'ingénierie de leur microstructure. Bien que bon marché à produire, les matériaux ordonnés au hasard souffrent d'un flux et d'une distribution de transport de masse inégaux, les chercheurs ont expliqué.

"En imprimant en 3D des matériaux avancés tels que les aérogels de carbone, il est possible de concevoir des réseaux macroporeux dans ces matériaux sans compromettre les propriétés physiques telles que la conductivité électrique et la surface, " a déclaré la co-auteure Swetha Chandrasekaran.

L'équipe a signalé les ETP, imprimé dans des structures en treillis par une méthode d'écriture directe à l'encre, transfert de masse amélioré par rapport aux efforts d'impression 3D précédemment signalés de 1 à 2 ordres de grandeur, et atteint des performances comparables à celles des matériaux conventionnels.

Parce que la viabilité commerciale et l'adoption généralisée des réacteurs électrochimiques dépendent de l'obtention d'un transfert de masse plus important, la capacité de créer des flux d'ETP fera de la technologie une option beaucoup plus attrayante pour aider à résoudre la crise énergétique mondiale, les chercheurs ont dit. L'amélioration des performances et de la prévisibilité des électrodes imprimées en 3D les rend également adaptées à une utilisation dans des réacteurs à grande échelle pour des convertisseurs électrochimiques à haut rendement.

« L'obtention d'un contrôle précis sur la géométrie des électrodes permettra une ingénierie avancée des réacteurs électrochimiques qui n'était pas possible avec les matériaux d'électrode de la génération précédente, " a déclaré la co-auteur Anna Ivanovskaya. " Les ingénieurs seront en mesure de concevoir et de fabriquer des structures optimisées pour des processus spécifiques. Potentiellement, avec le développement de la technologie de fabrication, Les électrodes imprimées en 3D peuvent remplacer les électrodes désordonnées conventionnelles pour les réacteurs de type liquide et gaz. »

Les scientifiques et les ingénieurs du LLNL explorent actuellement l'utilisation des réacteurs électrochimiques dans une gamme d'applications, y compris la conversion du CO 2 aux carburants et polymères utiles et au stockage électrochimique de l'énergie pour permettre un déploiement plus poussé de l'électricité à partir de sources renouvelables et sans carbone. Les chercheurs ont déclaré que les résultats prometteurs leur permettront d'explorer rapidement l'impact des architectures d'électrodes conçues sans techniques de fabrication industrialisées coûteuses.

Des travaux sont en cours au LLNL pour produire des électrodes et des composants de réacteur plus robustes à des résolutions plus élevées grâce à des techniques d'impression polymère 3D à base de lumière telles que la micro-stéréolithographie par projection et la lithographie à deux photons, coulé par métallisation. L'équipe tirera également parti du calcul haute performance pour concevoir des structures plus performantes et continuer à déployer les électrodes imprimées en 3D dans des réacteurs plus grands et plus complexes et des cellules électrochimiques complètes.