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Jul 12, 2023

Laser de femtosegundo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8837 (2023) Citar este artigo 812 Acessos 1 Detalhes da Altmetric Metrics A dependência da taxa de redução de CO2 na solução de acetonitrila-Bu4NClO4 em cátodos,

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8837 (2023) Citar este artigo

812 Acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

A dependência da taxa de redução de CO2 na solução de acetonitrila-Bu4NClO4 em cátodos, que foram modificados por indução a laser de uma superfície de cobre, foi estudada. A topografia das estruturas superficiais 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 superficial do cátodo de cobre aumenta e a orientação preferida da superfície de cobre na direção cristalográfica [022] e maiores valores de fluência 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 de fluência maiores. 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 de pontas em E = − 3,0 V mediante processo estável.

Um dos principais problemas ambientais a nível planetário é o aumento da concentração de CO2 na atmosfera, que provoca o efeito estufa e o aumento da acidez das águas oceânicas e marítimas1. Tendo em conta a tendência crescente da concentração deste gás2, nas últimas décadas, têm sido ativamente realizadas pesquisas sobre a redução das emissões de óxido de carbono (IV) e o processamento deste último em compostos contendo carbono. A redução eletroquímica de CO2 é uma das rotas promissoras de conversão deste gás em produtos 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 padrão . Isto causa a baixa seletividade da conversão de CO2 para qualquer produto. Em soluções aquosas em E0 = − 0,83 V (vs. NHE) começa a redução eletroquímica da água (5), cuja participação 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 do 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 ambiente dos solventes apróticos orgânicos16. Além disso, sua alta estabilidade eletroquímica permite reduzir o CO2 mesmo em potenciais catódicos de até -3,5 V sem reações colaterais . Além disso, a solubilidade do CO2 em solventes apróticos orgânicos é uma ordem de grandeza maior do que a sua solubilidade em água. Atinge altos valores de icátodo de até 80 mA cm-2 e eficiências faradaicas (FEs) de até 80%12.

A redução eletroquímica do CO2 é um processo catalítico, portanto 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 dos eletrodos 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 nesse sentido são os cátodos de cobre, cuja alta eficiência é demonstrada por aqueles com alta rugosidade superficial24,25,26,27, estrutura semelhante a espuma27, esqueletos 3D (esponjas) altamente porosos28 e formações dendríticas29.

O tratamento a laser é um dos mais novos métodos promissores de formação de uma superfície altamente desenvolvida para eletrodos de redução de CO2 cataliticamente ativos . O tratamento a laser tem sido demonstrado como uma tecnologia eficiente para induzir estruturas micrométricas na superfície de semicondutores31,32, metais33,34,35, dielétricos36 e polímeros37. Não muito tempo atrás, a técnica de estruturas de superfície periódicas induzidas por laser (LIPSS), conhecida por sua alta regularidade, fez avanços significativos devido à sua capacidade de atingir uniformidade nanométrica e ao seu processo de etapa única, sem máscara, com velocidade de produção industrial . Muitos estudos têm demonstrado as diversas aplicações do LIPSS, como em holografia39, espectroscopia Raman de superfície aprimorada (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, ranhuras e pontas . Esta abordagem demonstra a versatilidade incomparável dos lasers ultracurtos, tornando-os aplicáveis ​​a praticamente qualquer processo de fabricação. Além disso, este processo de etapa única não requer vácuo ou outras configurações complexas44,45.