Elektrokimyasal Reaktörler için Akış Elektrotlarını Optimize Etmeye 3D Baskı Kullanımı
Fotoğraf : Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı mühendisleri ilk kez, grafen aerojellerden reaktörlerdeki reaksiyonlardan sorumlu gözenekli elektrotlar olan 3D baskılı karbon akış elektrotlarına (FTE’ler) sahip oldular. Araştırmacılar, 3D baskının FTE’lerdeki akışı özelleştirebileceklerini, kütle transferini önemli ölçüde iyileştirebileceklerini, yani sıvı veya gaz reaktanlarının elektrotlar aracılığıyla ve reaktif yüzeylere taşınmasını sağlayabileceklerini gösterdiler. Kaynak: Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı
Yenilenebilir enerjinin artan bolluğundan ve daha ucuz maliyetlerinden yararlanmak için, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) bilim adamları ve mühendisleri, kullanılan elektrokimyasal reaktörlerin temel bileşenleri olan CO2 ve diğer molekülleri faydalı ürünlere dönüştürmek için akış elektrotlarını (FTE) 3D baskı uyguladılar.
Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı tarafından yayınlanan bir makalede açıklandığı gibi, LLNL mühendisleri ilk kez 3D baskılı karbon FTE’leri (reaktörlerdeki reaksiyonlardan sorumlu gözenekli elektrotlar) grafen aerojellerden elde etti. Çalışma, araştırmacılara göre, akış elektrotları için “uygulanabilir, çok yönlü hızlı prototipleme yöntemi” ve reaktör performansını en üst düzeye çıkarmak için umut verici bir yol olarak 3D baskının kurulmasının kapısını açıyor.
LLNL’DE, makalenin baş yazarı LLNL mühendisi Victor Beck “Yerel reaksiyon ortamı üzerinde hassas kontrol ile üç boyutlu reaktörlerin kullanımına öncülük ediyoruz. Yeni, yüksek performanslı elektrotlar, yeni nesil elektrokimyasal reaktör mimarilerinin temel bileşenleri olacak. Bu ilerleme, 3D baskı yeteneklerinin yerel sıvı akışını tasarlamak ve reaktör performansını artıran karmaşık, eylemsizlik akış modellerini indüklemek için elektrot yapısı üzerinde sunduğu kontrolü nasıl kullanabileceğimizi göstermektedir.” dedi.
Araştırmacılar, 3D baskı yoluyla, elektrotların akış kanalı geometrisini kontrol ederek, geleneksel yöntemlerle yapılan FTE’lerde görülen pürüzleri en aza indirirken elektrokimyasal reaksiyonları optimize edebildiklerini gösterdiler. FTE’lerde kullanılan tipik malzemeler, karbon fiber bazlı köpükler veya keçeler gibi “düzensiz” ortamlardır ve mikro yapılarını tasarlama fırsatlarını sınırlar. Araştırmacılar, üretimi ucuz olsa da, rastgele sıralanan malzemelerin düzensiz akıştan ve toplu taşıma dağılımından muzdarip olduğunu açıkladı.
Yazar Swetha Chandrasekaran, “Karbon aerojeller gibi gelişmiş malzemeleri 3D yazdırarak, bu malzemelerde elektriksel iletkenlik ve yüzey alanı gibi fiziksel özelliklerden ödün vermeden makro gözenekli ağlar oluşturmak mümkündür.” dedi.
Ekip, doğrudan mürekkeple yazma yöntemiyle kafes yapılarına basılan FTE’leri, daha önce bildirilen 3D baskı çabalarına göre 1-2 büyüklük sırası ile artan kütle transferini ve geleneksel malzemelerle eşit performans elde ettiğini bildirdi.
Araştırmacılar, elektrokimyasal reaktörlerin ticari uygulanabilirliği ve yaygın olarak benimsenmesi, daha büyük kütle transferine ulaşmaya bağlı olduğundan, FTE’lerde akış mühendisliği yapabilme yeteneği, teknolojiyi küresel enerji krizini çözmeye yardımcı olmak için çok daha çekici bir seçenek haline getireceğine; 3D baskılı elektrotların performansının ve öngörülebilirliğinin iyileştirilmesi, aynı zamanda yüksek verimli elektrokimyasal dönüştürücüler için büyütülmüş reaktörlerde kullanım için uygun olmalarını sağlayacağına değindiler.
Anna Ivanovskaya, “Elektrot geometrileri üzerinde hassas kontrol elde etmek, önceki nesil elektrot malzemeleriyle mümkün olmayan gelişmiş elektrokimyasal reaktör mühendisliğini mümkün kılacaktır. Mühendisler, belirli süreçler için optimize edilmiş yapılar tasarlayabilecek ve üretebilecekler. Potansiyel olarak, üretim teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, 3D baskılı elektrotlar, hem sıvı hem de gaz tipi reaktörler için geleneksel düzensiz elektrotların yerini alabilir.” dedi.
LLNL bilim adamları ve mühendisleri, şu anda, karbon içermeyen ve yenilenebilir kaynaklardan elektriğin daha fazla dağıtımını sağlamak için CO2’yi faydalı yakıtlara ve polimerlere dönüştürmek ve elektrokimyasal enerji depolaması da dahil olmak üzere bir dizi uygulamada elektrokimyasal reaktörlerin kullanımını araştırıyorlar. Araştırmacılar, umut verici sonuçların, pahalı endüstriyel üretim teknikleri olmadan mühendislik elektrot mimarilerinin etkisini hızla keşfetmelerine izin vereceğini söyledi.
LLNL’de, projeksiyon mikro-stereolitografisi ve metalizasyonla akan iki fotonlu litografi gibi ışık tabanlı 3D polimer baskı teknikleri aracılığıyla daha yüksek çözünürlüklerde daha sağlam elektrotlar ve reaktör bileşenleri üretmek için çalışmalar devam ediyor. Ekip ayrıca, daha iyi performans gösteren yapılar tasarlamak ve daha büyük ve daha karmaşık reaktörlerde ve tam elektrokimyasal hücrelerde 3D baskılı elektrotları kullanmaya devam etmek için yüksek performanslı bilgi işlemden yararlanacak.
Kaynak: phys.org
