LLNL UTILIZZA LA STAMPA 3D PER AUMENTARE LE PRESTAZIONI DEL REATTORE ELETTROCHIMICO FINO A 100X
I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno iniziato a utilizzare la stampa 3D per produrre elettrodi a flusso continuo (FTE) per reattori elettrochimici, ottenendo miglioramenti delle prestazioni del reattore fino a 100 volte.
Utilizzando la scrittura a inchiostro diretto, in particolare, il team LLNL è stato in grado di stampare in 3D elettrodi porosi personalizzati realizzati con aerogel di grafene. Le strutture stampate sono cruciali per tutta una serie di reazioni elettrochimiche, come la conversione di CO2 e altre molecole in prodotti energetici utili.
Sfruttando la libertà di progettazione offerta dalla produzione additiva, i ricercatori hanno scoperto che potevano controllare meglio il flusso che passa attraverso i loro FTE stampati in 3D. Nel contesto di un reattore elettrochimico, ciò può significare migliorare il trasferimento di massa e massimizzare le prestazioni del reattore.
“Siamo pionieri nell’uso di reattori 3D con un controllo preciso sull’ambiente di reazione locale”, spiega l’ingegnere LLNL Victor Beck, autore principale dello studio. “Elettrodi nuovi e ad alte prestazioni saranno componenti essenziali delle architetture di reattori elettrochimici di prossima generazione. Ciò dimostra come possiamo sfruttare il controllo che la stampa 3D offre sulla struttura dell’elettrodo per progettare il flusso del fluido locale e indurre modelli di flusso inerziale complessi che migliorano le prestazioni del reattore”.
Utilizzando geometrie di elettrodi reticolari stampate in 3D, il team LLNL è stato in grado di massimizzare il trasferimento di massa nei reattori elettrochimici, migliorando notevolmente le prestazioni del reattore. Immagine tramite LLNL.
Trasferimento di massa e reattori elettrochimici
I reattori elettrochimici vengono generalmente utilizzati per convertire i reagenti chimici in una forma di energia più utile, ovvero elettricità o carburante. Secondo i ricercatori LLNL, la fattibilità commerciale di questi reattori dipende in gran parte dal raggiungimento di un maggiore trasferimento di massa, che è semplicemente definito come il trasporto di reagenti fluidi su superfici reattive attraverso gli elettrodi. Per questo, abbiamo bisogno di FTE in grado di controllare e ingegnerizzare il flusso.
Fino ad ora, gli FTE sono stati prodotti utilizzando “mezzi disordinati” come schiume e feltri a base di fibra di carbonio. Sebbene convenienti, questi materiali ordinati casualmente spesso determinano un flusso irregolare e una distribuzione del trasferimento di massa, che è dannosa per le prestazioni del reattore.
Optando invece per elettrodi in aerogel stampati in 3D, i ricercatori hanno dimostrato di poter personalizzare le geometrie del canale di flusso degli FTE per ottimizzare le reazioni nel reattore, il tutto alleviando le carenze degli FTE fabbricati tradizionalmente.
“Ottenere un controllo preciso sulle geometrie degli elettrodi consentirà l’ingegneria avanzata dei reattori elettrochimici che non era possibile con i materiali degli elettrodi della generazione precedente”, aggiunge la coautrice Anna Ivanovskaya. “Gli ingegneri saranno in grado di progettare e produrre strutture ottimizzate per processi specifici. Potenzialmente, con lo sviluppo della tecnologia di produzione, gli elettrodi stampati in 3D possono sostituire gli elettrodi disordinati convenzionali per reattori di tipo sia a liquido che a gas”.
FTE di aerogel di grafene stampati in 3D
Gli FTE sono stati stampati in complesse strutture reticolari, che secondo quanto riferito hanno migliorato il trasferimento di massa di 1-2 ordini di grandezza (10x – 100x) rispetto ai precedenti tentativi di stampa 3D. Gli FTE di LLNL hanno anche ottenuto prestazioni del reattore alla pari con i materiali disordinati convenzionali, il che è un risultato molto promettente.
Swetha Chandrasekaran, co-autrice dello studio, ha affermato: “Con la stampa 3D di materiali avanzati come gli aerogel di carbonio, è possibile progettare reti macroporose in questi materiali senza compromettere le proprietà fisiche come la conduttività elettrica e l’area superficiale”.
Il team ha affermato che il successo dello studio consentirà ora di esplorare gli effetti delle architetture di elettrodi ingegnerizzati senza fare affidamento su costosi processi di produzione industriale. LLNL sta anche lavorando alla stampa 3D di elettrodi più robusti e altre parti del reattore utilizzando tecniche di micro-stereolitografia a base di resina e litografia a due fotoni.
