Создана иерархическая трехмерная печать нанопористых металлов
Нанопористые металлы являются превосходными катализаторами для химических реакций из-за их большой площади поверхности и высокой электропроводности, что делает их идеальными кандидатами для приложений, таких как электрохимические реакторы, датчики и приводы.
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science Advances, исследователи Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL), вместе со своими коллегами из Гарвардского университета, сообщают о иерархической трехмерной печати нанопористого золота, которая, по мнению исследователей, может революционизировать проектирование химических реакторов.
«Если вы рассматриваете традиционные процессы обработки, то это требует много времени, и вы тратите много материалов, также у вас нет возможности создавать сложные структуры», — сказал один из авторов статьи. «Используя трехмерную печать, мы можем реализовать макропористые структуры с характерными для конкретного приложения шаблонами потока. Создавая иерархические структуры, мы предоставляем пути для быстрого массопереноса, чтобы в полной мере использовать большую площадь поверхности нанопористых материалов. Это также способ экономии материалов, особенно драгоценных металлов».
Объединив трехмерную печать на основе экструзии и процесс легирования и дезоллирования, исследователи смогли спроектировать нанопористое золото в трех различных масштабах — от микромасштабного до наномасштабного, сообщая об иерархической структуре. По словам исследователей, способность манипулировать поверхностью катализатора для получения электрохимических реакций посредством трехмерной печати может оказать значительное влияние на электрохимические установки, которые в настоящее время полагаются главным образом на тепловую энергию.
«Контролируя многомасштабную морфологию и площадь поверхности трехмерных пористых материалов, вы можете начать манипулировать свойствами этих материалов», — сказал исследователь LLNL Эрик Дуосс. «С иерархическими структурами у вас есть каналы, которые могут обрабатывать передачу реагентов и продуктов для различных реакций. Это похоже на транспортные системы, где вы съезжаете с семиполосных скоростных автомагистралей до небольших дорожек с аллеями, но вместо обычного груза, перевозите молекулы».
Подход LLNL, основанный на экструзии, универсален и масштабируем, обеспечивает бескомпромиссное управление макроскопической формой образца и, что самое важное, позволяет интегрировать нанопористость в структуру макропористой структуры, специфичную для конкретного приложения.
По словам ученых, объединенные преимущества открывают новое пространство для проектирования химических реакторов и устройств хранения и преобразования энергии, и полученные материалы могут потенциально революционизировать дизайн химических заводов, изменив масштабные отношения между объемом и площадью поверхности.
Cheng Zhu et al. Toward digitally controlled catalyst architectures: Hierarchical nanoporous gold via 3D printing, Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.aas9459