3D printing for electrochemical conversion technologies

Promovendus/a: Lore Van Looy

Promotor(en): Prof. dr. ir. Rob Ameloot, Prof. dr. Philippe Vereecken

In een tijd waarin de overgang naar milieuvriendelijke en duurzame energieoplossingen essentieel is, bieden driedimensionale printtechnologieën (3DP) nieuwe kansen voor vooruitgang in elektrochemische energieomzetting. Dit werk onderzoekt de toepassing van poeder binder jetting (BJ) om twee grote uitdagingen aan te pakken: de behoefte aan wegwerpbare micro-energiebronnen en de verbetering van de efficiëntie van elektrolyzers.

De toenemende vraag naar eenmalig te gebruiken draagbare elektronische apparaten benadrukt de noodzaak van wegwerpbare energiebronnen. Een 3D-geprinte microfluidische galvanische cel (µGC) werd ontwikkeld, die capillaire actie ondersteunt vanwege zijn porositeit. De µGC is uitgerust met Pd/C-papierelektroden en maakt gebruik van mierenzuur als brandstof, met kaliumpermanganaat als oxidant. Deze μGC vertoonde aanzienlijke prestatieverbeteringen door het vergroten van het elektrodenoppervlak en het optimaliseren van de celconfiguratie, waardoor deze nu voldoet aan de energiebehoeften voor point-of-care diagnostische tests. Verdere vooruitgang werd geboekt door een verschuiving richting het gebruik van katalysatorvrije elektroden en organische chinonreagentia, alsook naar een ontwerp waarbij de plaatsing van de elektroden tijdens het printproces plaatsvindt. Ten slotte werd een compacter µGC-ontwerp gepresenteerd dat de operationele mogelijkheden kon vergroten en het aanzienlijke potentieel van 3DP voor de ontwikkeling van wegwerp-micro-energiebronnen aantoont.

Aanzienlijke onderzoeksinspanningen zijn gericht op het verbeteren van elektrodeprestaties voor de waterstofevolutiereactie (HER) door het gebruik van elektrokatalysatoren. Niettemin spelen geometrische eigenschappen, zoals de 3D-structuur en het oppervlak, ook een aanzienlijke rol in dit proces. 3DP biedt innovatieve mogelijkheden voor het onderzoeken van complexe 3D-elektroden om de HER te verbeteren. Het tweede deel van dit proefschrift verdiept zich in de grondige analyse van diverse 3D-printtechnieken en metallisatieprocessen met betrekking tot hun efficiëntie voor de waterstofevolutiereactie. BJ 3DP gecombineerd met nikkel autokatalytisch plateren (ELP) bleek zeer effectief, wat resulteerde in elektroden met een aanzienlijk vergroot oppervlak en verbeterde HER-prestaties. Verschillende 3D-elektroden werden verder onderzocht onder stromende elektrolytische omstandigheden in een elektrolyzer, waarbij ze verbeterde prestaties vertoonden in vergelijking met vlakke elektroden. De efficiëntie van het verwijderen van bellen varieerde tussen verschillende 3D-structuren, wat toe te schrijven was aan verschillen in mengrichtingen. Hoewel verdere ontwerpoptimalisaties noodzakelijk zijn, heeft de ontwikkeling van 3D-elektroden via BJ ELP bewezen een eenvoudige en effectieve strategie voor prototyping te zijn.

Met behulp van BJ 3DP-technologie was het mogelijk om een wegwerp 3D-geprinte micro-energiebron te ontwikkelen en verschillende 3D-elektroden te onderzoeken, wat twee grote stappen voorwaarts betekent binnen de bredere context van energie duurzaamheid.