劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的科学家正在 3D 打印石墨烯气凝胶流通电极 (FTE)，这是用于将 CO 2和其他分子转化为有用产品的电化学反应器的核心组件。

受益于 3D 打印提供的设计自由，研究人员证明他们可以定制 FTE 中的流动，显着改善传质——液体或气体反应物通过电极传输到反应表面。研究人员表示，这项工作为将 3D 打印确立为流通电极的“可行的、通用的快速成型方法”以及最大化反应器性能的有希望的途径打开了大门。

“在 LLNL，我们率先使用三维反应器，精确控制局部反应环境，”该论文的主要作者、LLNL 工程师 Victor Beck 说。“新型高性能电极将成为下一代电化学反应器架构的重要组成部分。这一进步展示了我们如何利用 3D 打印功能对电极结构提供的控制来设计局部流体流动并诱导复杂的惯性流动模式，从而提高反应器性能。”

研究人员证明，通过控制电极的流动通道几何形状，他们可以优化电化学反应，同时最大限度地减少通过传统方法制造的 FTE 中的权衡。FTE 中使用的典型材料是“无序”介质，例如基于碳纤维的泡沫或毡，限制了对其微观结构进行设计的机会。研究人员解释说，虽然生产成本低廉，但随机排列的材料会受到不均匀的流动和质量传输分布的影响。

“通过 3D 打印碳气凝胶等先进材料，气凝胶隔热可以在不影响导电性和表面积等物理特性的情况下在这些材料中设计大孔网络，”共同作者 Swetha Chandrasekaran 说

该团队报告了通过直接墨水书写方法打印在晶格结构中的 FTE，与之前报道的 3D 打印工作相比，传质增强了一到两个数量级，并实现了与传统材料相当的性能。

研究人员表示，由于电化学反应器的商业可行性和广泛采用取决于实现更大的传质，因此在 FTE 中设计流动的能力将使该技术成为帮助解决全球能源危机的更具吸引力的选择。提高 3D 打印电极的性能和可预测性也使它们适用于用于高效电化学转换器的放大反应器。

“对电极几何形状进行精细控制将使先进的电化学反应器工程成为可能，这是上一代电极材料无法实现的，”合著者 Anna Ivanovskaya 说。“工程师将能够设计和制造针对特定工艺优化的结构。潜在地，随着制造技术的发展，3D 打印电极可能会取代传统的液体和气体反应器的无序电极。”

LLNL 的科学家和工程师目前正在探索在一系列应用中使用电化学反应器，包括将 CO 2转化为有用的燃料和聚合物以及电化学储能，以进一步部署来自无碳和可再生能源的电力。研究人员表示，这些有希望的结果将使他们能够快速探索工程电极结构的影响，而无需昂贵的工业化制造技术。

LLNL 正在进行工作，以通过基于光的 3D 聚合物打印技术（例如通过金属化流动的投影微立体光刻和双光子光刻）以更高分辨率生产更坚固的电极和反应器组件。该团队还将利用高性能计算来设计性能更好的结构，并继续在更大、更复杂的反应器和全电化学电池中部署 3D 打印电极。