Laser femtoseconde

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8837 (2023) Citer cet article

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La dépendance du taux de réduction du CO2 dans une solution d'acétonitrile-Bu4NClO4 aux cathodes, qui ont été modifiées par induction laser d'une surface de cuivre, a été étudiée. La topographie des structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) → rainures → pointes a été successivement formée par un certain nombre d'impulsions. Il a été prouvé que pour un nombre plus élevé d'impulsions laser, la surface de la cathode de cuivre augmente et l'orientation préférée des lamelles de la surface du cuivre dans la direction cristallographique [022] et les valeurs de fluence plus élevées augmentent. Dans le même temps, la teneur en oxyde de cuivre (I) à la surface de la cathode de cuivre augmente. On observe également une tendance à des valeurs de fluidité plus élevées. Il favorise l'augmentation de la densité de courant cathodique pour la réduction du CO2, qui atteint des valeurs de 14 mA cm-2 pour les échantillons présentant des structures de surface de pointes à E = − 3,0 V lors d'un processus stable.

L’un des principaux problèmes environnementaux au niveau planétaire est l’augmentation de la concentration de CO2 dans l’atmosphère, qui provoque l’effet de serre et l’augmentation de l’acidité des océans et des eaux marines1. Compte tenu de la tendance croissante de la concentration de ce gaz2, au cours des dernières décennies, des recherches ont été activement menées sur la réduction des émissions d'oxyde de carbone (IV) et la transformation de ces dernières en composés contenant du carbone. La réduction électrochimique du CO2 est l'une des voies prometteuses de conversion de ce gaz en produits précieux : CO, CH4, C2H4, CH3OH, CH3COOH, CH3CHO, HCOOH, (COOH)2, etc.3,4,5,6. Les réactions de formation de ces produits lors de la polarisation cathodique dans des solutions aqueuses (1–4) sont caractérisées par des valeurs relativement proches des potentiels d'électrodes standards6. Cela entraîne la faible sélectivité de la conversion du CO2 pour tout produit. Dans les solutions aqueuses à E0 = − 0,83 V (vs. NHE) commence la réduction électrochimique de l'eau (5), dont la part augmente avec l'augmentation du potentiel cathodique, ce qui limite la valeur des potentiels cathodiques à − 1,0… − 1,3 V. Dans De plus, la solubilité du CO2 dans les solutions aqueuses est faible, ce qui provoque une polarisation des concentrations.

La réduction électrochimique du CO2 en milieu non aqueux, principalement dans les liquides ioniques7,8,9 et les solvants organiques aprotiques10,11,12,13,14,15,16, permet d'éliminer ou de réduire les inconvénients évoqués des solutions aqueuses. En l'absence d'eau, le CO2 est converti en anion oxalate (6, 7) et CO (8)12,17. Ce sont donc les principaux produits présents dans l’environnement des solvants organiques aprotiques16. De plus, leur haute stabilité électrochimique permet de réduire le CO2 même à des potentiels cathodiques allant jusqu'à − 3,5 V sans réactions secondaires18,19,20. De plus, la solubilité du CO2 dans les solvants organiques aprotiques est d’un ordre de grandeur supérieure à sa solubilité dans l’eau. Il atteint des valeurs d'icathode élevées jusqu'à 80 mA cm−2 et des rendements faradiques (FE) allant jusqu'à 80 %12.

La réduction électrochimique du CO2 est un processus catalytique, donc le taux de conversion dans les solutions aqueuses3,4,5,21,22,23 et les solvants organiques aprotiques18 dépend de la nature de la surface et de la structure de la cathode.

Ces dernières années, une attention accrue a été accordée à l'influence de la topographie des électrodes sur les processus électrochimiques de conversion du CO2 et, par conséquent, sur le rendement en produits10,12,23,24,25,26,27,28,29,30. Les plus étudiées à cet égard sont les cathodes en cuivre, dont la grande efficacité est démontrée par celles présentant une rugosité de surface élevée24,25,26,27, une structure semblable à une mousse27, des squelettes 3D très poreux (éponges)28 et des formations dendritiques29.

Le traitement au laser est l’une des méthodes les plus récentes et prometteuses pour former une surface hautement développée pour les électrodes de réduction de CO2 catalytiquement actives26,27. Le traitement au laser a été démontré comme une technologie efficace pour induire des structures micrométriques sur la surface des semi-conducteurs31,32, des métaux33,34,35, des diélectriques36 et des polymères37. Il n’y a pas si longtemps, la technique des structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS), connue pour sa grande régularité, a fait des progrès significatifs grâce à sa capacité à atteindre une uniformité nanométrique et à son processus en une seule étape, sans masque, avec une vitesse de production industrielle38. De nombreuses études ont présenté les diverses applications du LIPSS, notamment en holographie39, en spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS)40, en tribologie41, en capteurs42, en plasmonique43 et autres44,45. En ajustant finement différents paramètres, l’utilisation d’impulsions laser ultracourtes permet la création d’une large gamme de microstructures aux configurations complexes. En faisant varier le nombre d’impulsions laser et en ajustant la fluence du laser, on peut générer des hexagones, des rainures et des pointes46,47. Cette approche démontre la polyvalence inégalée des lasers ultracourts, les rendant applicables à presque tous les processus de fabrication. De plus, ce processus en une seule étape ne nécessite pas de vide ou d’autres configurations complexes44,45.