Laser a femtosecondi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8837 (2023) Citare questo articolo

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È stata studiata la dipendenza del tasso di riduzione della CO2 nella soluzione di acetonitrile-Bu4NClO4 sui catodi, che sono stati modificati mediante induzione laser di una superficie di rame. La topografia delle strutture superficiali periodiche indotte dal laser (LIPSS) → solchi → punte è stata successivamente formata da un certo numero di impulsi. È stato dimostrato che per un numero maggiore di impulsi laser, l'area superficiale del catodo di rame aumenta e l'orientamento preferito della superficie di rame sulla direzione cristallografica [022] e i valori di fluenza maggiori aumentano. Allo stesso tempo aumenta il contenuto di ossido di rame (I) sulla superficie del catodo di rame. Inoltre, si osserva la tendenza a valori di fluidità più grandi. Promuove l'aumento della densità di corrente catodica per la riduzione della CO2, che raggiunge valori di 14 mA cm-2 per campioni con strutture superficiali a punte a E = − 3,0 V su un processo stabile.

Uno dei principali problemi ambientali a livello planetario è l’aumento della concentrazione di CO2 nell’atmosfera, che provoca l’effetto serra e l’aumento dell’acidità delle acque oceaniche e marine1. Tenendo conto del trend crescente della concentrazione di questo gas2, negli ultimi decenni sono state condotte attivamente ricerche sulla riduzione delle emissioni di ossido di carbonio (IV) e sulla trasformazione di quest'ultimo in composti contenenti carbonio. La riduzione elettrochimica della CO2 è una delle vie più promettenti per convertire questo gas in prodotti così preziosi: CO, CH4, C2H4, CH3OH, CH3COOH, CH3CHO, HCOOH, (COOH)2, ecc.3,4,5,6. Le reazioni di formazione di questi prodotti in seguito alla polarizzazione catodica in soluzioni acquose (1–4) sono caratterizzate da valori relativamente vicini dei potenziali degli elettrodi standard6. Ciò causa la bassa selettività della conversione di CO2 per qualsiasi prodotto. Nelle soluzioni acquose a E0 = − 0,83 V (rispetto a NHE) inizia la riduzione elettrochimica dell'acqua (5), la cui quota aumenta all'aumentare del potenziale catodico, che limita il valore dei potenziali catodici a − 1,0… − 1,3 V. In Inoltre, la solubilità della CO2 nelle soluzioni acquose è bassa, il che provoca la polarizzazione della concentrazione.

La riduzione elettrochimica della CO2 in un mezzo non acquoso, principalmente in liquidi ionici7,8,9 e solventi organici aprotici10,11,12,13,14,15,16, consente di eliminare o ridurre gli svantaggi menzionati delle soluzioni acquose. In assenza di acqua, la CO2 viene convertita in anione ossalato (6, 7) e CO (8)12,17. Sono quindi i principali prodotti nell'ambiente dei solventi organici aprotici16. Inoltre, la loro elevata stabilità elettrochimica consente di ridurre la CO2 anche a potenziali catodici fino a −3,5 V senza reazioni collaterali18,19,20. Inoltre, la solubilità della CO2 nei solventi organici aprotici è di un ordine di grandezza maggiore della sua solubilità in acqua. Raggiunge valori icatodici elevati fino a 80 mA cm−2 ed efficienze faradaiche (FE) fino all'80%12.

La riduzione elettrochimica della CO2 è un processo catalitico, quindi la velocità di conversione in soluzioni acquose3,4,5,21,22,23 e solventi organici aprotici18 dipende dalla natura della superficie e della struttura del catodo.

Negli ultimi anni è stata prestata maggiore attenzione all'influenza della topografia degli elettrodi sui processi elettrochimici di conversione della CO2 e, di conseguenza, sulla resa dei prodotti10,12,23,24,25,26,27,28,29,30. Quelli più studiati a questo proposito sono i catodi di rame, la cui elevata efficienza è dimostrata da quelli con elevata rugosità superficiale24,25,26,27, struttura simile a schiuma27, scheletri 3D altamente porosi (spugne)28 e formazioni dendritiche29.

Il trattamento laser è uno dei metodi più promettenti per formare una superficie altamente sviluppata per elettrodi di riduzione della CO2 cataliticamente attivi26,27. Il trattamento laser si è dimostrato una tecnologia efficiente per indurre strutture micrometriche sulla superficie di semiconduttori31,32, metalli33,34,35, dielettrici36 e polimeri37. Non molto tempo fa, la tecnica delle strutture superficiali periodiche indotte dal laser (LIPSS), nota per la sua elevata regolarità, ha fatto progressi significativi grazie alla sua capacità di raggiungere uniformità nanometrica e al suo processo in un unico passaggio, senza maschera, con velocità di produzione industriale38. Molti studi hanno mostrato le diverse applicazioni di LIPSS, come nell'olografia39, nella spettroscopia Raman con superficie migliorata (SERS)40, nella tribologia41, nei sensori42, nella plasmonica43 e altri44,45. Regolando con precisione diversi parametri, l'uso di impulsi laser ultracorti consente la creazione di un'ampia gamma di microstrutture con configurazioni complesse. Variando il numero di impulsi laser e regolando la fluenza del laser, è possibile generare esagoni, scanalature e punte46,47. Questo approccio dimostra l’impareggiabile versatilità dei laser ultracorti, rendendoli applicabili a quasi tutti i processi di produzione. Inoltre, questo processo in un'unica fase non richiede il vuoto o altre configurazioni complesse44,45.