纳米多孔金的分层3D打印可以彻底改变化学反应器的设计

 

“如果你考虑传统的加工工艺，耗费时间并浪费大量材料，同时你还没有能力创造复杂的结构。”LLNL博士后研究员Zhen Qi说道，他是该论文的共同作者。 “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，我们提供快速质量传输的途径，以充分利用纳米多孔材料的大表面积。它也是一种节省材料的方法，特别是贵金属。“

 

研究人员将基于挤出的直接油墨写入3D打印工艺与合金化和脱合金工艺相结合，将纳米多孔金制成三种不同的尺度，从微观尺度到纳米尺度。根据研究人员的说法，分层结构“显着改善了每种液体和气体的质量传递和响应电荷。”研究人员说，通过3D打印能够控制催化剂的表面积以产生电化学反应，这一发展可能对电化学产生重大影响。

 

“通过控制三维多孔材料的多尺度形态和表面积，您可以开始操纵这些材料的传质特性。”LLNL研究员Eric Duoss说， “通过层级结构，您可以处理反应物和产品转移以进行不同反应的通道。“实现成品需要几个步骤。 LLNL研究员Cheng Zhu和前博士后Wen Chen创造了由金银微粒制成的墨水，然后进行3D打印。将3D打印部件放入炉中以使颗粒聚结成金、 银合金。然后他们将这些部件放入化学浴中，在一个称为“脱合金”的过程中除去银，在每个梁或细丝内形成多孔金。“最后一部分是三维分层金结构，包括宏观印刷的孔隙和由于脱合金作用而形成的纳米级孔隙。”现任马萨诸塞大学阿默斯特分校教授Chen说。 “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。”

 

研究人员表示，该方法可以很容易地应用于其他合金材料，如镁，镍和铜，为催化，电池，超级电容器甚至二氧化碳还原等领域应用复杂的3D打印金属部件提供了新的可能性。

 

 

专注于印刷和后处理零件的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形状。LLNL研究员Juergen Biener表示，催化的挑战在于将高表面积与快速传质相结合。虽然增材制造是创建复杂宏观结构的理想工具，但直接引入提供所需高表面积的纳米结构仍然非常困难，“Biener说。”我们通过开发基于金属油墨的方法克服了这一挑战，通过称为脱合金的选择性腐蚀过程引入纳米孔隙。“

 

他们的研究论文题为《走向数控催化剂结构：通过3D打印的分层纳米多孔金》发表在Science Advances杂志上。