ナノ多孔質金の層状3Dプリントは化学反応器の設計に革命をもたらす可能性がある

ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者らは、ハーバード大学の研究者らと共同で、ナノ多孔質金の階層的3Dプリントについて報告した。研究者らは、これが化学反応器の設計に革命をもたらす可能性があると考えている。ナノ多孔質金属は、高い表面積、機械的なサイズ効果、高い電気伝導性など、いくつかの望ましい材料特性を兼ね備えているため、科学者の間で大きな関心を集めています。そのため、電気化学リアクター、センサー、アクチュエータなどの用途に最適です。

「従来の機械加工プロセスを考えると、時間がかかり、多くの材料が無駄になり、複雑な構造を作る能力がない」と、論文の共著者であるLLNLのポスドク研究員ジェン・チー氏は述べた。「3Dプリンティングを使用することで、アプリケーション固有のフローパターンを備えたマクロポーラス構造を実現できます。階層構造を作成することで、ナノポーラス材料の大きな表面積を最大限に活用するための迅速な質量輸送の経路を提供します。これは、材料、特に貴金属を節約する方法でもあります。」

研究者らは、押し出しベースの直接インク書き込み 3D 印刷プロセスと合金化および脱合金化プロセスを組み合わせて、マイクロスケールからナノスケールまで 3 つの異なるスケールでナノ多孔質金を製造しました。研究者によると、層状構造は「各液体とガスの質量移動と応答電荷を大幅に改善する」とのこと。研究者らは、3Dプリントによって電気化学反応を起こす触媒の表面積を制御できるようになることで、この開発は電気化学に大きな影響を与える可能性があるとしている。

「3D多孔質材料のマルチスケール形態と表面積を制御することで、これらの材料の物質移動特性を操作できるようになります」とLLNLの研究者エリック・デュオス氏は語る。「階層構造により、反応物と生成物の移動経路を操作して、さまざまな反応を実行できます。」完成品に到達するまでにはいくつかのステップが必要です。 LLNL の研究者 Cheng Zhu 氏と元ポスドクの Wen Chen 氏は、金と銀の微粒子でできたインクを作成し、それを 3D プリントしました。 3D プリントされた部品は炉内に置かれ、粒子が凝集して金と銀の合金になります。次に、部品を化学薬品の浴槽に入れて「脱合金化」と呼ばれるプロセスで銀を除去し、各ビームまたはフィラメント内に多孔質の金を作りました。「最後の部分は、マクロ的なプリントされた細孔と脱合金化によって形成されたナノスケールの細孔を含む、3次元の階層的な金の構造です」と、現在マサチューセッツ大学アマースト校の教授であるチェン氏は語った。「この階層的な 3D アーキテクチャにより、マクロ細孔の形態をデジタルで制御できるようになり、望ましい高速質量輸送動作を実現できます。」

研究者らは、この方法はマグネシウム、ニッケル、銅などの他の合金材料にも簡単に適用でき、触媒、電池、スーパーキャパシタ、さらには二酸化炭素削減などの分野での応用に向けた複雑な3Dプリント金属部品の新たな可能性を切り開くと述べている。

部品の印刷と後処理に注力するチェン氏は、このプロセスの鍵となるのは、圧力下で連続したフィラメントを形成し、プリンターのマイクロノズルから出るときにフィラメントの形状を維持するために固化できる、流動性に優れたインクを開発することだと語った。触媒における課題は、高い表面積と高速物質移動を組み合わせることだと、LLNLの研究者ユルゲン・ビーナー氏は語った。「付加製造は複雑なマクロ構造を作成するのに理想的なツールですが、必要な高表面積を提供するナノ構造を直接導入することは依然として非常に困難です」とビナー氏は述べました。「私たちは、脱合金化と呼ばれる選択的腐食プロセスを通じてナノ多孔性を導入する金属インクベースのアプローチを開発することで、この課題を克服しました。」「

「数値制御触媒構造に向けて：3Dプリントによる階層的ナノ多孔質金」と題された彼らの研究論文は、Science Advances誌に掲載されました。

出典: 中国3Dプリンティングネットワーク

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