電気触媒における3Dプリントの応用

著者: Li Congrong 出典: Energy Scholar

現在、電気化学分野、特に化学原料や再生可能燃料の電気触媒合成における 3D プリント技術の研究が活発化しています。 3Dプリンティングは複雑で特殊なデザインに対しても高い柔軟性を持っているため、加工分野において画期的な意義を持っています。近年、多数のラピッドプロトタイピング材料および装置の開発により、理想的な実験室条件における電気触媒材料および装置と工業生産との間のギャップが大幅に縮小しました。オーストラリアのウーロンゴン大学の Li Congrong、Gordon Wallace らは、Joule 誌に「電気触媒用途向け 3D プリンティング」と題するレビューを発表し、電気触媒分野における 3D プリンティング技術の利点、開発の可能性、開発の限界、展望を詳述しました。このレビューでは、将来の電極サイズ、印刷解像度、コストを分析し、3Dプリント電極の後処理と電気触媒装置の製造戦略を研究し、電気触媒反応とその反応インターフェースの分野におけるラピッドプロトタイピング技術である3Dプリントの発展展望を展望します。

3D プリンティングは、高度な製造技術として、持続可能なエネルギー生産装置の製造に魅力的で環境に優しい方法を提供します。生産設備の改造を回避し、迅速な設計・成形を実現します。この迅速なプロトタイピング手法により、製品開発が加速され、電気触媒分野の基礎研究に新たな構造設計がもたらされると期待されています。 3D プリンティングが電気触媒の分野における他の分野と異なるのは、高度な学際性、材料、化学、触媒インターフェースの複雑さ、電気触媒に必要な規模と小規模なカスタマイズなどの課題により、電気触媒の分野における 3D プリンティング技術には長期的な研究開発が必要であるという点です。著者らは、近い将来、印刷技術が進歩し、印刷された材料の特性に対する人類の理解が深まるにつれて、3D 印刷された部品が大型設備と組み合わされ、従来の方法で製造された部品と 3D 印刷を連携できるようになると予測しています。しかし、完全に印刷に依存する大規模で持続可能なエネルギーデバイスの開発と標準化には、ある程度の時間がかかるでしょう。

3D プリント技術の急速な発展は、電気触媒反応装置の製造などの分野で新たな展望をもたらしています。電気触媒の分野における 3D 印刷技術の役割は、概念実証デバイスで初めて実証されました。電気触媒の分野では、大規模な化学反応を扱います。これらのデバイスは最適化を通じて、大規模、低コスト、高収量の生産を実現できます。同時に、基礎研究の分野では、3D プリントを通じて新しい概念設計を検証することもできます。 3D プリントされた原子炉を大規模生産するには創造的なエンジニアリングソリューションが必要であり、これは現時点では依然として大きな課題であることに留意する必要があります。

優れた性能を持つ電気触媒材料には、高い反応性と高い比表面積を実現するために、ナノスケールの構造と関連する特性が必要になることがよくあります。しかし、現在の印刷技術の解像度はナノメートルレベルをはるかに下回っており、電気触媒における 3D 印刷技術の応用には大きな制限があります。ただし、合金化-脱合金化、脱テンプレート化、陽極酸化、電着などの後処理手順により、これらの制限を克服できます。新しい技術と新しい改質方法により、サブミクロンスケールの金属ベースの電子材料の製造に新たな方向性がもたらされています。将来の技術により、実験室で簡単に合成できるナノ触媒の印刷が可能になり、3D 印刷材料の解像度の低さや商業化の難しさなどの制限を克服するとともに、電気触媒の分野でナノスケール材料を準備するための革新的なワンステップ方法を提供します。現在の高粘度導電性インク押し出し印刷技術の全体的な印刷解像度を向上させる必要があり、電気触媒性能を検証する必要がありますが、すでに理想的な構造に非常に近づいています。

現在、電気触媒におけるリアクターやその他の非導電性部品の印刷は、比較的成熟した段階に達しています。これは、これらのプリントの材料が主にポリマーであり、必要なリアクターが導電性電極材料よりも複雑ではないためです。ほとんどの電気触媒の最適な反応性は、高 pH 領域または低 pH 領域、あるいは有機溶媒中で発生する傾向があります。制限は、すべての材料がそのような極端な条件に耐えられるわけではないということです。ポリマー材料中の添加剤（市販の製品の構成には記載されていないことが多い）も化学的安定性に悪影響を及ぼす可能性があります。さらに、膜材料調製の分野では、電解セルの陰極と陽極を分離するために使用される 3D プリント膜材料も注目されている研究テーマです。この展望は主に工業用無機塩ベースの電気触媒システムに関係します。生物学的酵素などの他のタイプの触媒を印刷する場合は、固定方法、マトリックスの生体適合性、酵素の特異性、および長期安定性を考慮する必要があります。

つまり、電極、リアクターの設計、電気触媒、膜材料の開発をすべて 3D プリント技術と組み合わせることで、電気触媒リアクターのワンストップ製造を実現できます。電気触媒の性能試験では、3D プリントにより迅速な構築と組み立てが可能になり、機能的な製品や新しい構造の開発が加速される可能性があります。電気触媒には、高度な 3D 印刷技術と関連する後処理技術が必要です。したがって、新しい電極とリアクターの設計、高度な印刷技術、印刷された材料の物理化学的特性、機械的特性、および対応する機能に関する当社の深い理解はすべて、次世代の 3D 印刷電気触媒コンポーネントの開発にとって非常に重要です。しかし、従来の設計モデルとは異なる、真に革新的な反応器および電極材料の設計については、まだ研究の余地があります。このシステムは電気触媒に画期的な進歩をもたらすはずですが、印刷のみで製造されるリアクターと電極材料は非常に高価になります。

連絡先著者プロフィール Congrong Li 博士は、オーストラリアのモナッシュ大学で電気化学の博士号を取得しました。卒業後はドイツのエアランゲン・ニュルンベルク大学と英国のケンブリッジ大学で博士研究員として研究を行った。彼は2015年にオーストラリアのウーロンゴン大学より副学長研究フェローシップを受賞した。現在、彼は主に電気化学、ナノ材料、金属酵素、触媒、太陽エネルギー、3Dプリントの研究に従事しています。彼は電気化学、光触媒、光電気化学の方法を使用して、H2O、O2、CO2などの小分子を活性化し、再生可能エネルギーを得ています。

ゴードン・ウォレス教授は、オーストラリアのウーロンゴン大学の終身教授であり、オーストラリア研究会議の電気材料科学研究センターの研究担当エグゼクティブディレクター、およびインテリジェントポリマー研究所の所長です。彼はARC受賞者であり、連盟フェローでもありました。彼の研究対象は、有機導体、ナノマテリアル、電気化学プローブ分析法、およびエネルギーと健康のための 3D プリンティングです。

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