Испанский институт Aidimme разработал 3D-печатные электрокатализаторы, повышающие производство водорода в 10 раз

Репортаж от Wedoany，Институт Aidimme (Технологический институт металлообработки, мебели, деревообработки, упаковки и смежных отраслей) в рамках проекта SUR-FA разработал и подтвердил целостный подход к созданию пористых электродов с контролируемой структурой, многоуровневой поверхностью и электрокаталитическим поведением, адаптированным к реальным условиям. Проект подтвердил методологию от проектирования до изготовления электрокатализатора, охватывающую геометрию, технологии 3D-производства, материалы, модификацию поверхности и изготовление реактора, что представляет собой процесс, в котором каждый этап напрямую влияет на характеристики электрода и его пригодность для предполагаемого применения.

В исследовании электрод рассматривается как функциональная система, в которой внутренняя геометрия, свойства материала и химия поверхности взаимозависимы, в отличие от традиционного подхода, где эти элементы рассматриваются по отдельности. Структура больше не отвечает только конструктивным критериям, а становится активным элементом, влияющим на такие физические параметры, как массоперенос, ионный транспорт, электронную проводимость и распределение тока. Аддитивное производство в этом процессе позволяет напрямую создавать индивидуальные структуры, генерируя периодические пористые структуры, которые оказывают решающее влияние на массоперенос, распределение тока и ионное сопротивление. Эти высокоточные подложки затем подвергаются модификации поверхности для получения высокоупорядоченных иерархических структур с допированными катализаторами для электрокаталитических поверхностей в энергетике и экологии.

Разработка начинается с проектирования структуры пористого электрода, вводя такие параметры, как размер пор, связность каналов, тип структуры, извилистость и отношение площади поверхности к объему. В исследовании рассматривались два типа структур: решетчатые структуры и структуры TPMS (тройные периодические минимальные поверхности). Решетчатые структуры основаны на периодических сетках из стержней и узлов, обладают высокой механической жесткостью, но узлы вносят геометрические разрывы, увеличивая извилистость; структуры TPMS представляют собой непрерывные геометрические формы с нулевой средней кривизной, применяемые в проекте через структуру Flexa, устраняющие разрывы, способствующие взаимосвязанным каналам и снижающие гидравлические потери. Из более чем 20 начальных конфигураций были выбраны четыре репрезентативные структуры: Flexa, Octet Truss, Diamond 20 и Dode-medium.

Экспериментальный метод делится на взаимосвязанные этапы: сначала определение элементарной ячейки и параметров проектирования, затем многомасштабное моделирование. На пилотном этапе для проверки непрерывности структуры использовалось аддитивное производство из полиамида с помощью технологии Multi Jet Fusion; затем для изготовления выбранных структур из титана и меди применялась технология электронно-лучевого плавления порошкового слоя. В области модификации поверхности применялись обработка для очистки и кондиционирования, а затем электрохимические, химические и термические процессы для создания контролируемых наноструктур (нанотрубки, нанопоры, нанопластинки). На титановой подложке с помощью анодирования были получены структуры диоксида титана, а на медной подложке — нанопластинки или нанопроволоки оксида меди.

С физической точки зрения, структура Octet Truss демонстрирует высокую механическую жесткость и высокую извилистость, увеличивая время пребывания, но ограничивая ионный транспорт; структура Flexa сбалансирована, с малым турбулентным потоком, малым перепадом давления и высокой связностью; Diamond 20 обеспечивает структурную стабильность при высокой пористости; Dode-medium максимизирует транспорт электролита. В рамках проекта был разработан реактор от маломасштабной характеризации до интегрированного электрода размером 100 x 100 мм с оптимизацией потока электролита и распределения тока.

Экспериментальная проверка проводилась в таких приложениях, как производство водорода, окисление глицерина и восстановление нитратов. В производстве водорода и окислении глицерина использовались электроды со структурой Dode-medium, а поверхностные микро- и наноструктуры способствовали адсорбции промежуточных частиц. Результаты показали, что синергетическое действие спроектированной 3D-структуры, модификации и допирования никелем увеличило выход катодного водорода в 10 раз в процессе фотоэлектрокатализа, а плотность тока анодного окисления глицерина — в 15 раз. В процессе электрохимического восстановления нитратов до аммония для реальной соленой воды с высокой нагрузкой нитратов была достигнута 100%-ная степень удаления нитратов и селективность по аммонию более 60%.

В настоящее время проект ECO-RECEL, продвигаемый Aidimme при поддержке Ivace+i и Фонда FEDER Европейского Союза, преобразует целлюлозу из сосны алеппской в продукты с высокой добавленной стоимостью с помощью химико-электрохимического подхода, проверяя четыре конфигурации, исследованные в SUR-FA. Предварительные результаты показывают, что конструкция электрода является важным фактором, особенно в проточных реакторах. Проект SUR-FA установил полный метод проектирования и проверки эффективных пористых электродов, доказывая, что конструкция должна быть связана с конечным процессом и применением, открывая новые возможности для применения передовых технологий в энергетике и экологии.