laser de femtosegundo

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8837 (2023) Cite este artigo

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A dependência da taxa de redução de CO2 em solução de acetonitrila-Bu4NClO4 em cátodos, que foram modificados por indução a laser de uma superfície de cobre, foi estudada. A topografia de estruturas de superfície periódicas induzidas por laser (LIPSS) → ranhuras → pontas foi formada sucessivamente por um certo número de pulsos. Foi provado que para um maior número de pulsos de laser, a área de superfície do cátodo de cobre aumenta e a orientação platy preferida da superfície de cobre na direção cristalográfica [022] e os valores de fluência maiores aumentam. Ao mesmo tempo, o teor de óxido de cobre (I) na superfície do cátodo de cobre aumenta. Além disso, observa-se a tendência a valores maiores de fluência. Promove o aumento da densidade de corrente catódica para redução de CO2, que atinge valores de 14 mA cm-2 para amostras com estruturas superficiais espículas em E = − 3,0 V em um processo estável.

Um dos principais problemas ambientais a nível planetário é o aumento da concentração de CO2 na atmosfera, que provoca o efeito de estufa e o aumento da acidez dos oceanos e das águas marinhas1. Levando em consideração a tendência crescente da concentração desse gás2, nas últimas décadas, pesquisas têm sido ativamente realizadas para reduzir as emissões de óxido de carbono(IV) e transformá-las em compostos contendo carbono. A redução eletroquímica de CO2 é uma das rotas promissoras de conversão desse gás em produtos tão valiosos: CO, CH4, C2H4, CH3OH, CH3COOH, CH3CHO, HCOOH, (COOH)2, etc.3,4,5,6. As reações de formação desses produtos mediante polarização catódica em soluções aquosas (1–4) são caracterizadas por valores relativamente próximos dos potenciais de eletrodo padrão6. Isso causa a baixa seletividade de conversão de CO2 para qualquer produto. Em soluções aquosas a E0 = − 0,83 V (vs. NHE), começa a redução eletroquímica da água (5), cuja parcela aumenta com o aumento do potencial catódico, o que limita o valor dos potenciais catódicos a − 1,0… − 1,3 V. Em Além disso, a solubilidade do CO2 em soluções aquosas é baixa, o que causa polarização da concentração.

A redução eletroquímica de CO2 em meio não aquoso, principalmente em líquidos iônicos7,8,9 e solventes orgânicos apróticos10,11,12,13,14,15,16, permite eliminar ou reduzir as desvantagens mencionadas das soluções aquosas. Na ausência de água, o CO2 é convertido em ânion oxalato (6,7) e CO (8)12,17. Portanto, são os principais produtos no meio dos solventes orgânicos apróticos16. Além disso, sua alta estabilidade eletroquímica permite reduzir o CO2 mesmo em potenciais catódicos de até -3,5 V sem reações colaterais18,19,20. Além disso, a solubilidade do CO2 em solventes apróticos orgânicos é uma ordem de grandeza maior que sua solubilidade em água. Ele atinge altos valores de icatodo de até 80 mA cm-2 e eficiências faradaicas (FEs) de até 80%12.

A redução eletroquímica de CO2 é um processo catalítico, de modo que a taxa de conversão em soluções aquosas3,4,5,21,22,23 e solventes apróticos orgânicos18 depende da natureza da superfície e estrutura do cátodo.

Nos últimos anos, maior atenção tem sido dada à influência da topografia do eletrodo nos processos eletroquímicos de conversão de CO2 e, consequentemente, no rendimento dos produtos10,12,23,24,25,26,27,28,29,30. Os mais estudados a esse respeito são os cátodos de cobre, cuja alta eficiência é demonstrada por aqueles com alta rugosidade superficial24,25,26,27, estrutura tipo espuma27, esqueletos 3D altamente porosos (esponjas)28 e formações dendríticas29.

O tratamento a laser é um dos mais novos métodos promissores de formar uma superfície altamente desenvolvida para eletrodos de redução de CO2 cataliticamente ativos26,27. O tratamento a laser tem se mostrado uma tecnologia eficiente para induzir estruturas micrométricas sobre a superfície de semicondutores31,32, metais33,34,35, dielétricos36 e polímeros37. Há pouco tempo, a técnica de estruturas periódicas de superfície induzidas por laser (LIPSS), conhecida por sua alta regularidade, teve avanços significativos devido à sua capacidade de obter uniformidade nanométrica e seu processo sem máscara em uma etapa com velocidade de produção industrial38. Muitos estudos mostraram as diversas aplicações do LIPSS, como em holografia39, espectroscopia Raman aprimorada por superfície (SERS)40, tribologia41, sensores42, plasmônica43 e outros44,45. Ao ajustar com precisão diferentes parâmetros, o uso de pulsos de laser ultracurtos permite a criação de uma ampla gama de microestruturas com configurações complexas. Variando o número de pulsos de laser e ajustando a fluência do laser, pode-se gerar hexágonos, sulcos e pontas46,47. Essa abordagem demonstra a versatilidade incomparável dos lasers ultracurtos, tornando-os aplicáveis ​​a praticamente qualquer processo de fabricação. Além disso, esse processo de etapa única não requer vácuo ou outras configurações complexas44,45.