納米多孔金的分層3D打印可以徹底改變化學反應器的設計
中國3D打印網9月7日訊， 勞倫斯利弗莫爾全國實驗室（LLNL）的研究人員與他們在哈佛大學的同行一起報告了納米多孔金的分層3D打印，他們認為這可能會徹底改變化學反應器的設計。納米多孔金屬引起了科學家們很大的興趣，因為它們結合了幾種理想的材料特性，例如高表面積，機械尺寸效應和高導電性。這使它們成為電化學反應器，傳感器和執行器等應用的理想選擇。
“如果你考慮傳統的加工工藝，耗費時間并浪費大量材料，同時你還沒有能力創造復雜的結構。”LLNL博士后研究員Zhen Qi說道，他是該論文的共同作者。 “通過使用3D打印，我們可以實現具有特定應用流動模式的大孔結構。通過創建分層結構，我們提供快速質量傳輸的途徑，以充分利用納米多孔材料的大表面積。它也是一種節省材料的方法，特別是貴金屬。“
研究人員將基于擠出的直接油墨寫入3D打印工藝與合金化和脫合金工藝相結合，將納米多孔金制成三種不同的尺度，從微觀尺度到納米尺度。根據研究人員的說法，分層結構“顯著改善了每種液體和氣體的質量傳遞和響應電荷。”研究人員說，通過3D打印能夠控制催化劑的表面積以產生電化學反應，這一發展可能對電化學產生重大影響。
將3D打印與合金化和脫合金工藝相結合，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和哈佛大學的研究人員能夠將納米多孔金設計成微架構的層次結構。圖片來源：Ryan Chen / LLNL
“通過控制三維多孔材料的多尺度形態和表面積，您可以開始操縱這些材料的傳質特性。”LLNL研究員Eric Duoss說， “通過層級結構，您可以處理反應物和產品轉移以進行不同反應的通道。“實現成品需要幾個步驟。 LLNL研究員Cheng Zhu和前博士后Wen Chen創造了由金銀微粒制成的墨水，然后進行3D打印。將3D打印部件放入爐中以使顆粒聚結成金、 銀合金。然后他們將這些部件放入化學浴中，在一個稱為“脫合金”的過程中除去銀，在每個梁或細絲內形成多孔金。“最后一部分是三維分層金結構，包括宏觀印刷的孔隙和由于脫合金作用而形成的納米級孔隙。”現任馬薩諸塞大學阿默斯特分校教授Chen說。 “這種分層的3D架構允許我們以數字方式控制大孔的形態，這使我們能夠實現所需的快速質量傳輸行為。”
研究人員表示，該方法可以很容易地應用于其他合金材料，如鎂，鎳和銅，為催化，電池，超級電容器甚至二氧化碳還原等領域應用復雜的3D打印金屬部件提供了新的可能性。
3D打印的Ag-Au結構，具有不同的宏觀幾何尺寸和微尺度架構。
（A）平行線性長絲的單層陣列的光學圖像。多層高縱橫比（B）螺旋，（C）蜂窩，（D）空心柱陣列，（E）線性簡單立方晶格和（F）圓形徑向晶格結構的光學圖像。 （A），（B），（C）和（E）表示印刷，（D）和（F）表示退火后。比例尺，200μm（A）和2 mm（B至F）。
專注于印刷和后處理零件的Chen表示，該工藝的關鍵是開發具有良好流動性能的油墨，使其能夠在壓力下形成連續長絲，并在離開打印機的微噴嘴時凝固以保持其絲狀形狀。LLNL研究員Juergen Biener表示，催化的挑戰在于將高表面積與快速傳質相結合。雖然增材制造是創建復雜宏觀結構的理想工具，但直接引入提供所需高表面積的納米結構仍然非常困難，“Biener說。”我們通過開發基于金屬油墨的方法克服了這一挑戰，通過稱為脫合金的選擇性腐蝕過程引入納米孔隙。“
他們的研究論文題為《走向數控催化劑結構：通過3D打印的分層納米多孔金》發表在Science Advances雜志上。
中國3D打印網譯自：3ders.org
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