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LLNL steigert mit 3D-Druck die Leistung elektrochemischer Reaktoren um das bis zu 100-fache

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) nutzen die Möglichkeiten des 3D-Drucks, um die Leistung elektrochemischer Reaktoren zur Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in nützliche Energiequellen, Chemikalien und Rohstoffe zu verbessern.

Im Rahmen einer kooperativen Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung mit der Stanford University und dem Öl- und Gasunternehmen Total American Services haben LLNL-Forscher zum ersten Mal gezeigt, dass der 3D-Druck zur schnellen Verbesserung elektrochemischer Reaktoren für die CO2-Umwandlung eingesetzt werden kann.

In einer in der Fachzeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlichten Arbeit wies das Forscherteam nach, dass es durch den 3D-Druck von Reaktorkomponenten eine höhere Ausbeute an erwünschten Kraftstoffen und Rohstoffen wie Ethanol und Ethylen durch „dampfgespeiste“ elektrochemische Systeme erzielen. Ebenso können sie den Bau hochmoderner Reaktoren von Wochen auf Tage oder Stunden beschleunigen.

„Der wirkliche Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass einen neuen Reaktor entwerfen, ihn drucken und innerhalb von 24 Stunden testen können“, sagt Jeremy Feaster, Mitautor und LLNL-Wissenschaftler. „Das hat uns wirklich die Tür geöffnet, um das Reaktordesign auf eine Weise zu optimieren, die für viele konventionelle Reaktoren einfach nicht möglich ist. Wir konnten zeigen, dass man das Design schnell überarbeiten und nicht nur die benötigte Zeit, sondern auch die Kosten für die Herstellung dieser Reaktoren um mehrere Größenordnungen senken kann.“

Während sich ein Großteil der Forschung zu elektrochemischen Reaktoren in den letzten Jahrzehnten auf die Katalysatoren und Materialien konzentrierte, die an den elektrochemischen Reaktionen beteiligt sind, wurden die Reaktorkomponenten weitgehend vernachlässigt, erklären die Forscher. Anstatt sich in das überfüllte Feld der Katalysatorforschung zu begeben, beschloss das LLNL-Team, die Umgebung des Katalysators mit Hilfe des 3D-Drucks zu erforschen, um bessere Möglichkeiten zu finden, ihn zu kontrollieren.

Mithilfe der Projektionsmikrostereolithographie und anderer fotochemischer 3D-Druckverfahren am LLNL entwarf und druckte das Team neue Gehäuse für die Reaktoren. In Folge des Prozess konnte das Design optimiert werden. Die Reaktoren wurden nach Stanford geschickt, wo die Teams beider Einrichtungen ihre Leistung überprüften.

Unter neutralen Bedingungen konnte das Team hohe Ausbeuten an Ethylen (3,67 Prozent) und Rekordwerte an Ethanol (3,66 Prozent) erzielen.

Die Forscher erklärten, dass die 3D-gedruckten Reaktoren, die klein genug sind, um in eine Handfläche zu passen, schließlich gestapelt werden könnten. Solche CO2-Elektrolyseursysteme würden im Vergleich zu vielen konventionellen chemischen Prozessen, die fossile Rohstoffe verwenden, auch einen deutlich geringeren CO2-Fußabdruck aufweisen.

Die ganze Arbeit wurde unter dem Titel „Advanced manufacturing for electrosynthesis of fuels and chemicals from CO2“ veröffentlicht. Zu den Mitautoren gehören Sadaf Sobhani, Julie Hamilton, Victor Beck, Andrew Wong, Josh DeOtte und Christopher Hahn vom LLNL, Dong Un Lee und Thomas Jaramillo von der Stanford University sowie Amitava Sarkar von Total American Services.

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David ist Redakteur bei 3Druck.com.