Traitant avec l’Université de Stanford et la société pétrolière et gazière Overall American Services, les chercheurs du Lawrence Livermore National Lab et leurs propres collaborateurs ont démontré que la publication 3D peut être utilisée pour améliorer rapidement les réacteurs électrochimiques conçus pour la conversion du CO2, augmentant l’efficacité tout en augmentant la compréhension fondamentale des réactions particulières. . Crédit : Représentation par Veronica Chen/LLNL
Les scientifiques du Lawrence Livermore National Lab (LLNL) et leurs collaborateurs tirent généralement parti de la puissance associée à l’impression 3D pour améliorer les performances associées aux réacteurs électrochimiques utilisés pour convertir le dioxyde de carbone (CO 2 ) aux sources d’énergie utiles, aux substances chimiques et aux matières premières.
Travaillant dans le cadre d’un contrat de coopération de recherche et développement (CRADA) avec l’Université de Stanford et la société gazière et pétrolière Total United States Services, les scientifiques du LLNL et leur groupe ont, pour la première fois, montré que la publication 3D peut être utilisée pour améliorer rapidement les réacteurs électrochimiques en matière de CO. deux transformation, augmentant l’efficacité tout en élargissant la connaissance fondamentale des réactions.
Dans un article publié par la revue Sciences de l’énergie et de l’environnement , l’équipe de recherche a démontré que grâce à des pièces de réacteur d’impression TROIS DIMENSIONNELLES, ils pouvaient produire des rendements accrus de combustibles et de matières premières attrayants tels que l’éthanol et l’éthylène grâce à des systèmes électrochimiques « alimentés en vapeur » et accélérer le processus de construction de réacteurs à la pointe de la technologie à travers des semaines à des heures ou des heures.
“Le véritable avantage de l’utilisation de l’impression TRIDIMENSIONNELLE est que nous pouvons littéralement avoir un concept, concevoir un nouveau réacteur, l’imprimer et le tester dans les vingt-quatre heures”, a déclaré Jeremy Feaster, co-auteur principal et scientifique du LLNL. « Cela nous a vraiment ouvert la porte afin d’optimiser la conception du réacteur d’une manière qui n’est tout simplement pas disponible pour beaucoup de réacteurs ordinaires. Ce que nous avons pu montrer, c’est que vous pouvez simplement parcourir rapidement la conception et réduire non seulement le temps qu’il faudra, mais aussi le coût de création de ces réacteurs simplement de plusieurs ordres de grandeur. ”
Alors qu’une grande partie de l’enquête sur les réacteurs électrochimiques au cours des dernières années s’est concentrée sur les catalyseurs et les composants particuliers impliqués dans les réponses électrochimiques, les composants des réacteurs sont largement négligés, ont expliqué les experts. Au lieu de participer à l’industrie encombrée de la recherche de catalyseurs, le groupe LLNL a décidé d’utiliser l’impression TRIDIMENSIONNELLE pour explorer l’environnement autour du catalyseur afin d’obtenir de meilleures façons de le gérer, selon le co-chercheur principal et ingénieur de recherche LLNL Eric Duoss.
“Les choses qui se passent près du catalyseur et leur effet sur l’ensemble des réactions sont sous-étudiées, nous avons donc décidé que cela pourrait être notre créneau”, a déclaré Duoss. « La communauté n’avait en aucun cas exploité la puissance associée à l’impression 3D pour accélérer ce cycle de conception-construction-test. Notre équipe a réalisé plusieurs percées très rapides en travaillant avec des catalyseurs assez courants et peu excitants que les gens utilisent depuis longtemps, et grâce à cette compréhension et à ce pouvoir particuliers sur l’environnement local, nous avons pu atteindre des propriétés et une efficacité record ou proches du rapport. . ”
En utilisant la micro-stéréolithographie par projection ainsi que d’autres processus de publication 3D photochimiques au LLNL, l’équipe a développé et imprimé de tout nouveaux boîtiers pour les réacteurs et a rapidement itéré pour optimiser la géométrie particulière des styles, ce qui a amélioré le transport de masse général juste pour délivrer des réactifs pour et retirer des éléments de l’environnement du catalyseur. Les réacteurs avaient été envoyés à Stanford, où les équipes de chaque institution ont évalué leurs propres performances.
En dessous de conditions neutres, l’équipe a pu atteindre des rendements élevés associés à l’éthylène (3,67 pour cent) et rapporter des niveaux d’éthanol (3,66 pour cent).
“En combinaison avec le potentiel électrochimique et le prix du débit d’affluent, l’ajout de la conception du réacteur en tant qu’élément ajustable nous a permis d’atteindre des objectifs de haute performance tout en étudiant les limitations du transport de masse qui ont été corroborées par la modélisation”, a déclaré le co-auteur principal et le niveau de doctorat de Stanford. D. candidat Daniel Corral, qui est également un étudiant du programme de coopération éducative LLNL. « L’utilisation de la production avancée pour concevoir et comprendre des réacteurs avec des distances de transport plus petites et mettre en œuvre rapidement les changements de conception du programme a fourni des rendements élevés en éthylène et en éthanol dans un électrolyte à pH neutre. ”
Les scientifiques ont déclaré que les réacteurs imprimés en 3D, suffisamment petits pour tenir dans la main d’une main, peuvent éventuellement être empilés pour créer un système d’électrolyseur de la taille d’un réfrigérateur et éventuellement devenir une technologie perturbatrice et commercialisée. Ce genre de CO deux les systèmes d’électrolyseurs auraient une empreinte carbone considérablement réduite (ou peut-être même une technologie d’échappement négative) par rapport à de nombreuses procédures chimiques conventionnelles qui utilisent des réactifs d’origine fossile. CO deux les électrolyseurs peuvent également servir de source fiable pour les composants et les carburants pour l’avenir, ont ajouté les chercheurs.
“Notre vision serait de prendre les meilleurs catalyseurs développés en utilisant la science fondamentale que les réacteurs qui utilisent le plus ces catalyseurs”, a déclaré la co-auteure et co-détective principale Sarah Baker, qui est également le composant de LLNL pour l’énergie plus. Chef d’équipe Sécurité Climatique. « La fonction montre que l’efficacité, l’activité et la sélectivité du catalyseur sont dictées par l’ensemble du programme de réacteur autour du catalyseur. La possibilité d’imprimer les réacteurs et de modifier des fonctionnalités telles que le CO deux le chemin du flux et le volume du réacteur ont permis une rétroaction rapide pour aborder les idées sur les impacts du style de réacteur. Nous visualisons que cette rétroaction peut également aider à mettre à l’échelle les réacteurs particuliers, où la modification de l’échelle peut changer l’efficacité. ”
“Nous savons tous que la météo a besoin d’une activité rapide et que l’obtention de ces appareils aux dimensions maximales est une priorité absolue”, a ajouté Roger Aines, scientifique clé du programme énergétique de LLNL. « La fabrication additive nous donne à tous une vraie chance en vous accélérant considérablement la possibilité d’une application commerciale. ”
Au-delà de montrer que la publication 3D peut être appliquée efficacement pour construire des réacteurs uniquement pour le CO deux diminuer, les chercheurs de LLNL ont déclaré que l’article symbolisait une opportunité d’introduire l’approche de «changement de paradigme» pour créer de futurs réacteurs et repenser la façon dont les réactions sont effectuées.
Duoss, qui a qualifié les prospects du centre de LLNL en matière de matériaux d’ingénierie et de fabrication, a déclaré que l’équipe en particulier poursuit les travaux dans le cadre du CRADA avec Stanford et Total American Providers pour améliorer les performances globales, optimiser la conception au moyen de la modélisation informatique et explorer l’extension de la durée de vie des les réacteurs. Ils souhaitent s’associer à des entreprises et imprimer en 3D d’autres pièces de réacteur, telles que des électrodes, pour faire progresser les performances de pointe et étendre les technologies.
« Nous avons prouvé cette première démonstration de ce qui peut être fait avec CO deux réacteurs, mais l’effet potentiel est beaucoup plus important que cela », a déclaré Duoss. «Cette approche peut accélérer les découvertes scientifiques et l’application de la technologie pour, espérons-le, relier la« vallée associée à la mort »et voir ces types de technologies commercialisées à un moment donné. Nos défis climatiques et carbone sont généralement immenses et ils ont besoin de ce type de solutions créatives et perturbatrices principalement parce que nous n’avons tout simplement pas le temps d’attendre. ”
Référence : « Fabrication avancée pour l’électrosynthèse de carburants et de produits chimiques de la SOCIÉTÉ 2 » par Daniel Corral, Jeremy Big t. Feaster, Sadaf Sobhani, Joshua R. DeOtte, Dong Un Shelter, né Andrew The. Wong, Julie Hamilton, Victor A. Beck, Amitava Sarkar, le capitaine christopher Hahn, Thomas Farrenheit. Jaramillo, Sarah électronique. Baker et Eric B. Duoss, quinze février 2021, Sciences de l’énergie et de l’environnement .
DOI : 10. 1039 / D0EE03679J
Le travail a été financé par le système de recherche et développement dirigé par le laboratoire et Total United States Services.
Les co-auteurs incluent Sadaf Sobhani, Julie Hamilton, Victor Beck, Andrew Wong, Josh DeOtte et Christopher Hahn associé à LLNL; Dong El Lee et Jones Jaramillo de l’Université de Stanford ; et Amitava Sarkar de Global American Services.
