據(jù)了解，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(xué)的同行一起報告了納米多孔金的分層3D打印，他們認(rèn)為這可能會徹底改變化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計。納米多孔金屬引起了科學(xué)家們很大的興趣，因為它們結(jié)合了幾種理想的材料特性，例如高表面積，機(jī)械尺寸效應(yīng)和高導(dǎo)電性。這使它們成為電化學(xué)反應(yīng)器，傳感器和執(zhí)行器等應(yīng)用的理想選擇。
“如果你考慮傳統(tǒng)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(chuàng)造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。”LLNL博士后研究員ZhenQi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(xiàn)具有特定應(yīng)用流動模式的大孔結(jié)構(gòu)。通過創(chuàng)建分層結(jié)構(gòu)，我們提供快速質(zhì)量傳輸?shù)耐緩剑猿浞掷眉{米多孔材料的大表面積。它也是一種節(jié)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(jié)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(jù)研究人員的說法，分層結(jié)構(gòu)“顯著改善了每種液體和氣體的質(zhì)量傳遞和響應(yīng)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(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這一發(fā)展可能對電化學(xué)產(chǎn)生重大影響。
“通過控制三維多孔材料的多尺度形態(tài)和表面積，您可以開始操縱這些材料的傳質(zhì)特性。”LLNL研究員EricDuoss說，“通過層級結(jié)構(gòu)，您可以處理反應(yīng)物和產(chǎn)品轉(zhuǎn)移以進(jìn)行不同反應(yīng)的通道。“實現(xiàn)成品需要幾個步驟。LLNL研究員ChengZhu和前博士后WenChen創(chuàng)造了由金銀微粒制成的墨水，然后進(jìn)行3D打印。將3D打印部件放入爐中以使顆粒聚結(jié)成金、銀合金。然后他們將這些部件放入化學(xué)浴中，在一個稱為“脫合金”的過程中除去銀，在每個梁或細(xì)絲內(nèi)形成多孔金。“最后一部分是三維分層金結(jié)構(gòu)，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(xiàn)任馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校教授Chen說。“這種分層的3D架構(gòu)允許我們以數(shù)字方式控制大孔的形態(tài)，這使我們能夠?qū)崿F(xiàn)所需的快速質(zhì)量傳輸行為。”
研究人員表示，該方法可以很容易地應(yīng)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(lǐng)域應(yīng)用復(fù)雜的3D打印金屬部件提供了新的可能性。
專注于印刷和后處理零件的Chen表示，該工藝的關(guān)鍵是開發(fā)具有良好流動性能的油墨，使其能夠在壓力下形成連續(xù)長絲，并在離開打印機(jī)的微噴嘴時凝固以保持其絲狀形狀。LLNL研究員JuergenBiener表示，催化的挑戰(zhàn)在于將高表面積與快速傳質(zhì)相結(jié)合。雖然增材制造是創(chuàng)建復(fù)雜宏觀結(jié)構(gòu)的理想工具，但直接引入提供所需高表面積的納米結(jié)構(gòu)仍然非常困難，“Biener說。”我們通過開發(fā)基于金屬油墨的方法克服了這一挑戰(zhàn)，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(shù)控催化劑結(jié)構(gòu)：通過3D打印的分層納米多孔金》發(fā)表在ScienceAdvances雜志上。
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