Фемтосекундный лазер

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8837 (2023) Цитировать эту статью

739 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Изучена зависимость скорости восстановления CO2 в растворе ацетонитрил-Bu4NClO4 на катодах, модифицированных лазерной индукцией поверхности меди. Топография лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИПСС) → канавки → шипы последовательно формировалась определенным количеством импульсов. Было доказано, что при большем количестве лазерных импульсов площадь поверхности медного катода увеличивается, увеличивается преимущественная пластинчатая ориентация поверхности меди в кристаллографическом направлении [022] и увеличиваются значения флюенса. При этом увеличивается содержание оксида меди(I) на поверхности медного катода. Также наблюдается тенденция к большим значениям беглости. Это способствует увеличению плотности катодного тока восстановления СО2, которая при стабильном процессе достигает значений 14 мА/см2 для образцов с шиповой структурой поверхности при Е = -3,0 В.

Одной из главных экологических проблем планетарного уровня является повышенная концентрация CO2 в атмосфере, вызывающая парниковый эффект и повышение кислотности океанских и морских вод1. Учитывая тенденцию роста концентрации этого газа2, в последние десятилетия активно проводятся исследования по снижению выбросов оксида углерода(IV) и переработке последнего в углеродсодержащие соединения. Электрохимическое восстановление CO2 является одним из перспективных путей превращения этого газа в такие ценные продукты: CO, CH4, C2H4, CH3OH, CH3COOH, CH3CHO, HCOOH, (COOH)2 и др.3,4,5,6. Реакции образования этих продуктов при катодной поляризации в водных растворах (1–4) характеризуются сравнительно близкими значениями стандартных электродных потенциалов6. Это обуславливает низкую селективность конверсии CO2 для любого продукта. В водных растворах при Е0 = - 0,83 В (отн. NHE) начинается электрохимическое восстановление воды (5), доля которого увеличивается с ростом катодного потенциала, что ограничивает величину катодных потенциалов до - 1,0... - 1,3 В. В кроме того, растворимость СО2 в водных растворах низкая, что вызывает концентрационную поляризацию.

Электрохимическое восстановление СО2 в неводной среде, прежде всего в ионных жидкостях7,8,9 и органических апротонных растворителях10,11,12,13,14,15,16, позволяет устранить или уменьшить указанные недостатки водных растворов. В отсутствие воды CO2 превращается в оксалат-анион (6, 7) и CO (8)12,17. Поэтому они являются основными продуктами в среде органических апротонных растворителей16. Более того, их высокая электрохимическая стабильность позволяет восстанавливать CO2 даже при катодных потенциалах до −3,5 В без побочных реакций18,19,20. Кроме того, растворимость СО2 в органических апротонных растворителях на порядок превышает его растворимость в воде. Он обеспечивает высокие значения тока катода до 80 мА см-2 и фарадеевский КПД (ФЭ) до 80%12.

Электрохимическое восстановление CO2 является каталитическим процессом, поэтому скорость превращения в водных растворах3,4,5,21,22,23 и органических апротонных растворителях18 зависит от природы и структуры катодной поверхности.

В последние годы повышенное внимание уделяется влиянию топографии электродов на электрохимические процессы конверсии СО2 и, соответственно, на выход продуктов10,12,23,24,25,26,27,28,29,30. Наиболее изученными в этом отношении являются медные катоды, из которых высокую эффективность показывают катоды с высокой шероховатостью поверхности24,25,26,27, пенообразной структурой27, высокопористыми 3D-каркасами (губками)28 и дендритными образованиями29.

Лазерная обработка является одним из новейших перспективных методов формирования высокоразвитой поверхности каталитически активных электродов для восстановления CO226,27. Лазерная обработка была продемонстрирована как эффективная технология создания микрометрических структур на поверхности полупроводников31,32, металлов33,34,35, диэлектриков36 и полимеров37. Не так давно технология лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (LIPSS), известная своей высокой регулярностью, добилась значительных успехов благодаря своей способности достигать нанометровой однородности и одноэтапному безмасочному процессу со скоростью промышленного производства38. Многие исследования продемонстрировали разнообразные применения LIPSS, например, в голографии39, рамановской спектроскопии с поверхностным усилением (SERS)40, трибологии41, сенсорах42, плазмонике43 и других44,45. Благодаря точной настройке различных параметров использование ультракоротких лазерных импульсов позволяет создавать широкий спектр микроструктур сложной конфигурации. Варьируя количество лазерных импульсов и регулируя плотность энергии лазера, можно создавать шестиугольники, канавки и шипы46,47. Этот подход демонстрирует беспрецедентную универсальность ультракоротких лазеров, что делает их применимыми практически для любого производственного процесса. Более того, этот одноэтапный процесс не требует вакуума или других сложных установок44,45.