Láser de femtosegundo - Piezas de máquina láser Taiyuan Co., Ltd

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 8837 (2023) Citar este artículo

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Se estudió la dependencia de la tasa de reducción de CO2 en una solución de acetonitrilo-Bu4NClO4 con respecto a los cátodos modificados mediante inducción láser de una superficie de cobre. La topografía de las estructuras superficiales periódicas inducidas por láser (LIPSS) → surcos → picos se formó sucesivamente mediante un cierto número de pulsos. Se demostró que para un mayor número de pulsos láser, el área superficial del cátodo de cobre aumenta y la orientación laminar preferida de la superficie de cobre en la dirección cristalográfica y mayores valores de fluencia aumentan. Al mismo tiempo, aumenta el contenido de óxido de cobre (I) en la superficie del cátodo de cobre. Además, se observa la tendencia a valores de fluidez mayores. Promueve el aumento de la densidad de corriente catódica para la reducción de CO2, que alcanza valores de 14 mA cm-2 para muestras con estructuras superficiales de picos a E = − 3,0 V en un proceso estable.

Uno de los principales problemas ambientales a nivel planetario es el aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera, lo que provoca el efecto invernadero y el aumento de la acidez de los océanos y las aguas marinas1. Teniendo en cuenta la tendencia creciente de la concentración de este gas2, en las últimas décadas se han realizado activamente investigaciones para reducir las emisiones de óxido de carbono (IV) y transformar este último en compuestos que contienen carbono. La reducción electroquímica del CO2 es una de las vías prometedoras de conversión de este gas en productos tan valiosos: CO, CH4, C2H4, CH3OH, CH3COOH, CH3CHO, HCOOH, (COOH)2, etc.3,4,5,6. Las reacciones de formación de estos productos tras la polarización catódica en soluciones acuosas (1–4) se caracterizan por valores relativamente cercanos de los potenciales de electrodos estándar6. Esto provoca la baja selectividad de la conversión de CO2 para cualquier producto. En soluciones acuosas a E0 = − 0,83 V (frente a NHE) comienza la reducción electroquímica del agua (5), cuya proporción aumenta al aumentar el potencial catódico, lo que limita el valor de los potenciales catódicos a − 1,0… − 1,3 V. En Además, la solubilidad del CO2 en soluciones acuosas es baja, lo que provoca polarización de la concentración.

La reducción electroquímica de CO2 en medio no acuoso, principalmente en líquidos iónicos7,8,9 y disolventes orgánicos apróticos10,11,12,13,14,15,16, permite eliminar o reducir las desventajas mencionadas de las soluciones acuosas. En ausencia de agua, el CO2 se convierte en anión oxalato (6, 7) y CO (8)12,17. Por tanto, son los principales productos en el entorno de los disolventes orgánicos apróticos16. Además, su alta estabilidad electroquímica permite reducir el CO2 incluso a potenciales catódicos de hasta −3,5 V sin reacciones secundarias18,19,20. Además, la solubilidad del CO2 en disolventes orgánicos apróticos es un orden de magnitud mayor que su solubilidad en agua. Alcanza altos valores de icatodo de hasta 80 mA cm-2 y eficiencias faradaicas (FE) de hasta el 80%12.

La reducción electroquímica de CO2 es un proceso catalítico, por lo que la tasa de conversión en soluciones acuosas3,4,5,21,22,23 y disolventes orgánicos apróticos18 depende de la naturaleza de la superficie y estructura del cátodo.

En los últimos años se ha prestado mayor atención a la influencia de la topografía de los electrodos en los procesos electroquímicos de conversión de CO2 y, en consecuencia, en el rendimiento de los productos10,12,23,24,25,26,27,28,29,30. Los más estudiados a este respecto son los cátodos de cobre, cuya alta eficiencia se muestra en aquellos con alta rugosidad superficial24,25,26,27, estructura similar a la espuma27, esqueletos tridimensionales (esponjas) altamente porosos28 y formaciones dendríticas29.

El tratamiento con láser es uno de los métodos más nuevos y prometedores para formar una superficie altamente desarrollada para electrodos de reducción de CO2 catalíticamente activos26,27. El tratamiento con láser ha demostrado ser una tecnología eficaz para inducir estructuras micrométricas sobre la superficie de semiconductores31,32, metales33,34,35, dieléctricos36 y polímeros37. No hace mucho tiempo, la técnica de estructuras superficiales periódicas inducidas por láser (LIPSS), conocida por su alta regularidad, ha logrado avances significativos debido a su capacidad para lograr uniformidad nanométrica y su proceso de un solo paso, sin máscara y con velocidad de producción industrial38. Muchos estudios han mostrado las diversas aplicaciones de LIPSS, como en holografía39, espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS)40, tribología41, sensores42, plasmónicos43 y otros44,45. Al ajustar con precisión diferentes parámetros, el uso de pulsos láser ultracortos permite la creación de una amplia gama de microestructuras con configuraciones complejas. Al variar el número de pulsos láser y ajustar la fluencia del láser, se pueden generar hexágonos, ranuras y picos46,47. Este enfoque demuestra la versatilidad incomparable de los láseres ultracortos, lo que los hace aplicables a casi cualquier proceso de fabricación. Además, este proceso de un solo paso no requiere vacío ni otras configuraciones complejas44,45.

Recientemente, se ha probado la fabricación de LIPSS para la reducción de la emisión de electrones secundarios en muestras de cobre utilizando pulsos de láser de femtosegundo polarizados lineal y circularmente, informando sobre la influencia de las texturas superficiales formadas en el rendimiento de electrones secundarios (SEY), abordando así el posible papel en el rendimiento de electrones secundarios de LIPSS en una superficie de cobre con características del tamaño de una longitud de onda inferior48. También recibió atención el uso de una lente cilíndrica en la estructuración de superficies con láser de femtosegundo, con el objetivo de mejorar la eficiencia del procesamiento, adecuada para el procesamiento de áreas grandes con rayos láser circulares y elípticos49.

El presente trabajo tiene como objetivo establecer la dependencia de la tasa de reducción de CO2 en un disolvente orgánico aprótico (acetonitrilo) de la topografía de un cátodo de cobre modificado por pulsos de láser de femtosegundos.

Flujo de trabajo experimental para la reducción de CO2 en el esquema de conversión electroquímica con cátodos modificados por pulsos de láser de femtosegundo presentados en la Fig. 1.

Bosquejo de experimentos que consta de una configuración láser para generación de LIPSS (I) y un bloque de conversión electroquímica (II). La configuración del láser implica: 1—rayo láser de femtosegundo, 2—galvoscanner, 3—lente F-theta, 4—muestra de Cu, 5—imágenes SEM grabadas a partir de muestras irradiadas. El esquema de conversión electroquímica consta de: muestras de Cu tratadas con láser como cátodo en electrolizador (1). Suministro de gas CO2 desde globo (2). La figura fue creada usando Adobe Illustrator50.

El tratamiento con láser da como resultado la formación de estructuras superficiales periódicas (Fig. 2) que cubren homogéneamente un área grande (1 cm2). La Figura 2a muestra la muestra denominada “LIPSS”. La Figura 2c muestra las "ranuras" de muestra con estructuras que están preferentemente alineadas a lo largo de una dirección paralela a la polarización del láser, y su generación generalmente ocurre con valores de fluencia más grandes y para un mayor número de pulsos láser, con respecto a las ondulaciones. La Figura 2e muestra la muestra de "picos", que muestra estructuras autoorganizadas que tienen forma esférica en la escala micrométrica generada mediante pulsos ultracortos polarizados, con energía por pulso muy por encima del umbral de ablación. Otra condición para formar picos es la alta tasa de repetición para mantener el proceso de acumulación de calor. Esta acumulación de calor da lugar a procesos hidrodinámicos complejos, como también se sugiere en el artículo45. La consecuencia es un aumento en la dispersión superficial con la formación de estructuras que se asemejan a la coliflor (Fig. 2e). Como se muestra en26, este último se caracteriza por estructuras jerárquicas porosas, que es una de las condiciones para aumentar la actividad catalítica del cátodo de cobre en la conversión de CO222,23,24,25,26,27,28,29.

Panel izquierdo: imágenes SEM de estructuras superficiales periódicas inducidas por láser de femtosegundo de fabricación de superficies de cobre: (a) LIPSS; (c) ranuras; (e) picos. Panel derecho: perfiles 3D de las superficies modificadas con láser: (b) LIPSS; (d) ranuras; Los perfiles 3D se crearon utilizando Sensofar Metrology (Versión 6.7.4.0)51.

En la Fig. 2 (panel derecho) se presentan perfiles 3D de la superficie modificada con láser medidos con un perfilómetro láser (LP). La rugosidad cuadrática media de la superficie no tratada (Ra) asciende a 57 ± 5 nm según las imágenes LP. La superficie de la muestra "LIPSS" (Fig. 2b) tiene un Ra de 70,4 ± 20 nm, mientras que las superficies de "ranuras" y "picos" muestran un Ra de 118 ± 20 nm y 319 ± 20 nm, respectivamente (Fig. 2d,f). En todos los tipos de nanomicroestructuras autoorganizadas, las estructuras superficiales parecen estar distribuidas de manera homogénea.

Para determinar los parámetros de la red y las posibles transformaciones de la estructura cristalina en la superficie, se aplicó todo el ajuste del patrón del refinamiento de Rietveld a los datos XRD adquiridos. La Figura 3 muestra patrones de XRD para diferentes superficies de cobre tratadas con láser. Todos los patrones XRD corresponden a la fase cúbica de cobre. Los resultados del refinamiento casi no muestran cambios en los parámetros de la red, a = 3,615 Å. Corresponden a los datos de la literatura52. No se observó ningún cambio de los picos.

Patrones de XRD de placa de cobre sin tratar (a) y superficie de cobre tratada con láser de femtosegundo: (b) LIPSS, (c) ranuras, (d) púas. El pico está resaltado con una línea discontinua.

La diferencia entre los patrones XRD estaba sólo en las intensidades relativas de los picos. El patrón XRD de la placa de cobre con estructuras LIPPS cambia menos en comparación con el patrón XRD de cobre sin tratar. La intensidad máxima asignada al plano [022] aumenta significativamente, lo que indica el incremento de los efectos texturizados de la superficie de cobre. Los coeficientes refinados de la orientación preferida utilizando la función March-Dollase53 son 0,520(1) para Cu no tratado, 0,503(1)—LIPPS, 0,458(1)—ranuras y 0,319(1)—espigas. La disminución de los valores indica el aumento de la cantidad de la orientación laminar preferida para la superficie de la placa de cobre tratada. Concuerda con el aumento de valores de fluencia más grandes y para un mayor número de pulsos láser.

Se sabe que XPS es la técnica de elección para el análisis químico de superficies, dado el corto camino libre medio inelástico de los fotoelectrones excitados y la alta sensibilidad de su energía cinética hacia la estructura atómica y molecular del sistema investigado. El análisis XPS se realizó en todas las muestras tratadas con láser (LIPSS, puntas y ranuras) y en una muestra de cobre de referencia sin tratar. Se registró la gran región de la sección transversal de fotoionización de Cu 2p (consulte las Figs. S1, S2 y S3 para regiones adicionales), y el componente correspondiente j = 3/2 de órbita de giro se muestra en la Fig. 4a para cada muestra después de la curva. deconvolución de ajuste, en el ángulo de salida del fotoelectrón de 21°. El espectro de la superficie de cobre sin tratar (Fig. 4a, I) está dominado por un componente amplio (sombreado en rosa) con una energía de enlace (BE) de 934,9 eV, seguido de un satélite que se extiende en el rango de 940 a 945 eV. En los compuestos de cobre, esta última característica es atribuible a un estado final de núcleo ionizado sin apantallar en BE alto, dividido debido al acoplamiento de espín de valencia y núcleo, que es típico de las especies d9 (Cu2+)54. La presencia de esta característica junto con la posición del pico principal requiere la presencia de una capa de óxido de Cu (II) en la superficie de la muestra de cobre sin tratar.

(a) Regiones Cu 2p3/2 XPS de muestras (I) no tratadas (negro), (II) picos (verde), (III) LIPSS (azul) y (IV) ranuras (rojo) con resultados de ajuste de curvas. (b) Espectros Auger de Cu L3M4,5M4,5 de muestras en la misma secuencia. (c) Espectros de Cu 2p3/2 XPS (I) y Cu L3M4,5M4,5 Auger (II) de una muestra de Cu(0) puro de referencia. ( d – f ) Comparación entre regiones Cu 2p3 / 2 XPS adquiridas en ángulos de despegue de fotoelectrones de (I) 21 ° y (II) 81 ° para las muestras (d) LIPSS, (e) ranuras y (f) picos.

Pasando a las muestras tratadas con láser (Fig. 4a, II-IV), es evidente el crecimiento de un componente de baja energía a 932,2 eV, que ya estaba ligeramente delineado en el espectro I de la Fig. 4a. Este componente aumenta en intensidad en la secuencia de muestras: sin tratar picos > LIPSS > surcos (I > II > III > IV, respectivamente), apoyando una disminución de Cu(II) a favor de Cu(I ) desde la muestra sin tratar hasta la muestra con ranuras.

Para investigar la distribución de profundidad del componente Cu (I) detectado en los electrodos tratados con láser, los espectros XPS también se adquirieron en un ángulo de despegue de fotoelectrones rasante (81 °), lo que implica una profundidad de muestreo de superficie más corta (Fig. 4d). -F). Una comparación para cada muestra en los dos ángulos de despegue muestra que la señal de Cu(I) aumenta en el ángulo rasante, lo que apunta a la presencia de especies de Cu(I) como una capa superficial, con la capa de Cu(II) justo debajo. él.

Además, según la Fig. 4a, el enriquecimiento de Cu (I) se produce solo en las muestras tratadas con láser y en diferente medida para cada una de ellas. En el pasado reciente, se ha demostrado que el tratamiento con láser del óxido de Cu(II) (CuO) conduce a la reducción química y a la formación de óxido cuproso de Cu(I) (Cu2O) y, finalmente, cobre metálico, según las condiciones experimentales adoptadas56.

Es probable que también en este caso esté activo un mecanismo similar, es decir, una reducción inducida por láser del CuO nativo sobre el electrodo de cobre según la reacción (9). Entre las muestras investigadas, las "ranuras" son las que tienen el componente Cu(I) más prominente, lo que podría deberse al efecto sinérgico de la alta energía del láser y la alta tasa de repetición. En los trabajos24,57,58 se demostró que en soluciones acuosas, el Cu2O en la superficie de los electrodos de cobre cataliza la reducción de CO2 a CO con sobrepotenciales bajos. Esto ayuda a aumentar los valores del icatodo con altas eficiencias faradaicas. También se debería esperar un efecto similar del Cu2O para la electrorreducción de CO2 en disolventes orgánicos apróticos.

Los voltamogramas cíclicos (CV) para electrodos de Cu en soluciones de acetonitrilo saturadas de CO2 (Fig. 5a) son típicos del entorno de disolventes orgánicos apróticos10,11,12,13,18,59. Se observan valores apreciables de corrientes catódicas en E < − 2 V. Esto se debe al factor del medio no acuoso, donde en ausencia de agua tiene lugar la reacción catódica predominante (6), el valor del potencial del electrodo estándar de que es bajo. Se ha informado que en disolvente orgánico aprótico DMF E0CO2/CO2 = − 2,2159 o − 1,97 V60 frente a SHE. Cabe esperar que en soluciones de acetonitrilo este valor sea aproximadamente el mismo.

(a) Electrólisis potenciostática sobre electrodos de cobre en soluciones de acetonitrilo Bu4NClO4 saturadas con CO2 0,05 M: Cu1—LIPSS; Cu2—ranuras; Cu3: picos. (b) Voltamogramas cíclicos para electrodo de Cu en soluciones de acetonitrilo Bu4NClO4 saturadas con CO2 0,05 M: (I) Cu0: sin tratar; (II) Cu1—LIPSS; (III) Cu2: ranuras; (4) Cu3: picos.

El efecto de la topografía de la superficie del cobre se manifiesta en los valores de las corrientes catódicas desde el comienzo de la reducción electroquímica activa de CO2 (E ~ − 1,5 V) a E = − 3,0 V (Fig. 5b (II)). En los cátodos de cobre con púas, el icatodo prevalece casi el doble de este valor en los cátodos con una superficie de cobre lisa. Además, los valores actuales no disminuyen con el tiempo (Fig. 5a), lo que indica la estabilidad de la reducción electroquímica de CO2 en los cátodos de cobre modificados.

Además del aumento en el área específica del electrodo de cobre, el crecimiento de las corrientes catódicas es obvio debido al aumento en la actividad superficial. Esto es especialmente evidente en electrodos con púas, que se caracterizan por una mayor concentración de centros activos. La topografía de la superficie causa lo mencionado anteriormente (Fig. 2e) y también causa valores de fluencia más grandes, que ocurren por un aumento en la cantidad de orientación laminar preferida para la superficie de la placa de cobre tratada (Fig. 5).

Con un aumento del potencial del cátodo, se observa un rápido aumento en los valores de las corrientes del cátodo (Fig. 5b). Puede explicarse por el factor de influencia del disolvente orgánico aprótico. El acetonitrilo, como molécula polar, se adsorbe en un cátodo de cobre con la formación de complejos superficiales debido a la interacción donante-aceptor Cu ← :N≡C–CH3. En consecuencia, la superficie del cátodo está bloqueada. Un aumento de los potenciales catódicos, es decir, un aumento de la carga negativa, provoca la desorción del CH3CN, lo que facilita los procesos de reducción por reacciones (6, 8).

La tasa de reducción electroquímica de CO2 en la superficie del cátodo de modificación con láser de femtosegundo es casi igual a la tasa de reducción en el cátodo de oro, y el valor del icatodo es superado solo por el electrodo de difusión de gas Pb (Tabla 1). Sin embargo, este último es tecnológicamente difícil de fabricar.

A diferencia de las soluciones acuosas, la reducción de CO2 en disolventes apróticos orgánicos permite la electrólisis en una amplia gama de potenciales catódicos (hasta E = − 3,0 V), produciendo óxido de carbono (II) y oxalato sin procesos secundarios. Esta característica del medio no acuoso se utilizó para estudiar la eficiencia de la modificación de la superficie de cátodos de cobre mediante inducción láser. A medida que aumenta el número de pulsos y la intensidad del procesamiento láser, se forman sucesivamente tres tipos de topografía de superficie de cobre LIPSS → ranuras → picos. Como resultado, aumentan el área del cátodo, la orientación laminar preferida de la superficie de cobre en la dirección cristalográfica y mayores valores de fluencia. Al mismo tiempo, aumenta el contenido de óxido de cobre (I) en la superficie del cátodo de cobre, lo que aumenta su actividad electrocatalítica. Contribuye a aumentar las corrientes de reducción de CO2, de 8 mA cm-2 para cátodos LIPSS a 14 mA cm-2 para picos a Econstante = -3,0 V, lo que es idéntico a un aumento en la tasa de conversión catódica del óxido de carbono (IV). .

La irradiación con láser se llevó a cabo sobre una lámina de cobre electrolítico con el uso de una fuente láser Yb:KGW que opera a una longitud de onda de 1030 nm. El láser emitió pulsos polarizados linealmente con una duración de pulso de 266 fs.

Para controlar el movimiento del rayo láser, se empleó un cabezal de escaneo galvanométrico (ExceliScan, ScanLab) equipado con una lente F-theta. La distancia focal de la lente se fijó en 72 mm.

Las muestras se fijaron en una platina traslacional de 6 ejes controlada por computadora (Standa, Lituania). Se determinó que el tamaño del punto era de aproximadamente 11,5 µm de diámetro a una intensidad de 1/e2. Los parámetros del láser se describen en la Tabla 2.

La reducción electroquímica de CO2 en cátodos de cobre con estructuras superficiales periódicas inducidas por láser de femtosegundo se estudió mediante voltametría cíclica y cronoamperometría en una solución de acetonitrilo (CH3CN, AN) de perclorato de tetrabutilamonio (Bu4NClO4) 0,05 M. La solución se presaturó con dióxido de carbono durante 30 min. Para la investigación se utilizó una celda electroquímica estándar de tres electrodos de 50 cm3, un electrodo de trabajo de 1 × 1 cm, un auxiliar de platino y un electrodo de referencia de cloruro de plata (Ag/AgCl, E0 = 0,198 V vs. NHE, todos los valores potenciales serán en adelante referirse a este electrodo). Los voltamogramas cíclicos para electrodos de cobre se realizaron dentro del rango de potencial de E = 0,0 V a −3,0 V con una velocidad de barrido potencial de 50 mV s-1. La electrólisis potenciostática se llevó a cabo en E = − 1,5; − 2,0; − 2,5; − 3,0 V. Los estudios electroquímicos se realizaron mediante un potenciostato MTech PGP-550S.

El examen SEM de las muestras se llevó a cabo utilizando un microscopio electrónico Tescan Vega 3 LMU equipado con un detector de deriva de silicio X-MaxN 20. Las composiciones generales se investigaron mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX); Tensión de pistola 25 kV, modo de disparo detectores SE y BSE, distancia de trabajo 15–16 mm, vacío 10–3 Pa.

El análisis de fase de cuatro muestras se realizó utilizando datos de difracción de rayos X. Los datos de intensidad de XRD se recopilaron en un difractómetro automático HZG-4a (radiación CuKα, λ = 1,54179 Å, 2θmax = 120°, modo de escaneo por pasos con un tamaño de paso de 0,05°(2θ) y un tiempo de conteo de 25 a 30 s. por punto de datos, estándar externo de calibración de Si). En este estudio se utilizó el paquete de programas WinCSD61 para la cuantificación y cálculo de parámetros estructurales.

Los espectros XP se registraron utilizando un sistema Omicron NanoTechnology MXPS modificado equipado con una fuente monocromática (Omicron XM-1000) y un analizador de energía Omicron EA-125. La radiación excitante utilizada fue Al Kα (hυ = 1486,7 eV), generada operando el ánodo a 14 kV y 16 mA. Todas las regiones de fotoionización se adquirieron utilizando una energía de paso del analizador de 20 eV, excepto el escaneo de estudio, tomado con una energía de paso de 50 eV. Se adoptaron ángulos de despegue (θ) de 21 ° y 81 ° con respecto a la superficie normal de la muestra, correspondiendo este último a una profundidad de muestreo más delgada (mayor sensibilidad de la superficie). Las mediciones se realizaron a temperatura ambiente y la presión base en la cámara del analizador fue de aproximadamente 2 × 10–9 mbar. Los datos experimentales se ajustaron utilizando una función lineal para reproducir el fondo de los electrones secundarios y funciones pseudo-Voigt para los picos elásticos. Estas curvas se describen mediante un conjunto común de parámetros (posición, FWHM, relación gaussiana-lorentziana) que se dejaron variar dentro de límites estrechos. La relación gaussiana-lorentziana se dejó libre para variar entre 0,7 y 0,9. Se utilizaron relaciones de área determinadas experimentalmente (con un error asociado de ± 10%) para estimar las relaciones atómicas XPS entre los componentes Cu (II) y Cu (I).

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Davis, SJ, Caldeira, K. & Matthews, HD Futuras emisiones de CO2 y cambio climático a partir de la infraestructura energética existente. Ciencia 329(5997), 1330–1333 (2010).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Peters, GP y cols. Las emisiones de dióxido de carbono continúan creciendo en medio de políticas climáticas que emergen lentamente. Nat. Subir. Chang. 10, 3–6 (2020).

ADS del artículo Google Scholar

Nitopi, S. y col. Avances y perspectivas de la reducción electroquímica de CO2 sobre cobre en electrolito acuoso. Química. Rev. 119(12), 7610–7672 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Tufa, RA y cols. Hacia una reducción electroquímica de CO2 altamente eficiente: diseños de células, membranas y electrocatalizadores. Aplica. Energía 277, 115557 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Dongare, S., Singh, N., Bhunia, H., Bajpai, PK y Das, AK Reducción electroquímica de dióxido de carbono a etanol: una revisión. QuímicaSelect 6(42), 11603–11629 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Francke, R., Schille, B. & Roemelt, M. Electrorreducción de dióxido de carbono catalizada homogéneamente: métodos, mecanismos y catalizadores. Química. Rev. 118(9), 4631–4701 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Maniam, KK & Paul, S. Líquidos iónicos y disolventes eutécticos profundos para tecnologías de conversión de CO2: una revisión. Materiales 14(16), 4519 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mohammed, SAS, Yahya, WZN, Bustam, MA y Kibria, MG Elucidación de las funciones del líquido iónico en la reducción electroquímica del CO2 a productos químicos y combustibles de valor añadido. Moléculas 26(22), 6962 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shama, VM, Swami, AR, Aniruddha, R., Sreedhar, I. y Reddy, BM Aspectos de proceso e ingeniería de la captura de carbono por líquidos iónicos. J. Utilidad de CO2. 48, 101507 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Rudnev, AV y cols. Electrorreducción de CO2 en electrodos monocristalinos de platino modificado con Cu en medios apróticos. Electrocatálisis 6, 42–50 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Shi, J. y col. Celda de electrólisis sin membrana para la reducción de CO2 a CO en carbonato de propileno/perclorato de tetrabutilamonio. J. Electroquímica. Soc. 165(3), G51–G55 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

König, M., Lin, S.-H., Vaes, J., Pant, D. y Klemm, E. Integración de la reducción aprótica de CO2 a oxalato en un catalizador de Pb en una configuración de celda de flujo de GDE. Faraday discutir. 230, 360–374 (2021).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Figueiredo, MC, Ledezma-Yanez, I. & Koper, MTM Estudio espectroscópico in situ de electrorreducción de CO2 en electrodos de cobre en acetonitrilo. ACS Catal. 6(4), 2382–2392 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Banda-Aleman, JA, Orozco, G., Bustos, E., Sepúlveda, S. & Manriquez, J. Efecto de doble capa sobre la cinética de la electrorreducción de CO2 en cátodos que contienen Ag, Cu y nanomatrices de Ag/Cu electrodepositadas por doble pulso potenciostático. J. CO2 Útil. Rev. 27, 459–471 (2018).

Artículo de Google Scholar

Mendieta-Reyes, NE, Cheuquepán, W., Rodes, A. & Gómez, R. Estudio espectroelectroquímico de reducción de CO2 en electrodos de TiO2 en acetonitrilo. ACS Catal. 10(1), 103–113 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Aljabour, A. et al. Óxido de cobalto nanofibroso para electrocatálisis de reducción de CO2 a monóxido de carbono y formato en una solución de electrolito de acetonitrilo y agua. Aplica. Catalán. B Entorno. 229, 163-170 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Kaiser, U. & Heitz, E. Sobre el mecanismo de dimerización electroquímica del CO2 a ácido oxálico. Ber. Bunsen Ges. 77, 818-823 (1973).

Artículo CAS Google Scholar

Kuntyi, O., Zozulya, G. y Shepida, M. Electrorreducción de CO2 en disolventes orgánicos apróticos: una mini revisión. J química. 1306688 (2022).

Chen, T. y col. Los aniones específicamente adsorbidos mejoran la reducción electroquímica del CO2 a CO sobre un catalizador de galio en electrolitos orgánicos. Combustibles energéticos 35, 17784–17790 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Shi, J. y col. Diseño de una celda de electrólisis bicompartimental para la reducción de CO2 a CO en perclorato de tetrabutilamonio/carbonato de propileno para almacenamiento de energía eléctrica renovable. J. Electroquímica. Soc. 163, G82-G87 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Mendieta-Reyes, NE, Díaz-García, AK & Gómez, R. Reducción electrocatalítica simultánea de CO2 y efecto electrocrómico mejorado en electrodos nanoestructurados WO3 en acetonitrilo. ACS Catal. 8, 1903-1912 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Freitas, WS, D'Epifanio, A. & Mecheri, B. Reducción electrocatalítica de CO2 en materiales nanoestructurados a base de metales: desafíos y limitaciones para un camino sostenible hacia la descarbonización. J. Utilidad de CO2. 50, 101579 (2021).

Artículo de Google Scholar

Loiudice, A. et al. Adaptación de nanocristales de cobre a productos C2 en la reducción electroquímica de CO2. Angélica. Química. En t. Ed. 55, 5789–5792 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Jiang, K. y col. Efectos de la rugosidad superficial sobre la reducción electroquímica de CO2 sobre Cu. ACS Energía Lett. 5(4), 1206–1214 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Mistry, H. et al. Catalizadores de cobre activados por plasma altamente selectivos para la reducción de dióxido de carbono a etileno. Nat. Comunitario. 7, 12123 (2016).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Veenstra, FLP, Ackerl, N., Martín, AJ & Pérez-Ramírez, J. El cobre microestructurado con láser revela patrones de selectividad en la reducción electrocatalítica de CO2. Química. 6(7), 1707–1722 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Gimpel, T. y col. Reducción electroquímica de dióxido de carbono en electrodos de cobre procesados con láser de femtosegundo: efecto sobre los productos líquidos por estructuración y dopaje. Aplicación ACS. Materia energética. 4, 5927–5934 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Klingan, K. y col. Determinantes de reactividad en espumas de Cu electrodepositadas para la reducción electroquímica de CO2. Chemsuschem 11, 1-12 (2018).

Artículo de Google Scholar

Dutta, A., Rahaman, M., Mohos, M., Zanetti, A. y Broekmann, P. Conversión electroquímica de CO2 utilizando catalizadores de Cu de tipo esqueleto (esponja). ACS Catal. 7(8), 5431–5437 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Rashid, N., Bhat, MA & Ingole, PP Desentrañando la química de las superficies de los catalizadores y los disolventes hacia la formación de enlaces C-C mediante la activación y la conversión electroquímica de CO2 en hidrocarburos sobre cobre dendrítico microestructurado, Sostenible. Combustibles energéticos 6, 128-142 (2022).

CAS Google Académico

Bixler, GD & Bhushan, B. El efecto de arroz y alas de mariposa inspiró superficies con micro/nanopatrones autolimpiantes y de baja resistencia en agua, aceite y flujo de aire. Nanoescala 6 (1), 76–96 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Harzic, RL y cols. Ondulaciones de alta frecuencia espacial, uniformes y de gran área generadas en silicio utilizando un láser de nanojulios-femtosegundos a una alta tasa de repetición. Optar. Letón. 36(2), 229–231 (2011).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Buividas, R., Mikutis, M. & Juodkazis, S. Estructuración superficial y masiva de materiales mediante ondulaciones con pulsos láser largos y cortos: avances recientes. Prog. Electrón cuántico. 38(3), 119-156 (2014).

ADS del artículo Google Scholar

Bizi-Bandoki, P., Benayoun, S., Valette, S., Beaugiraud, B. y Audouard, E. Modificaciones de las propiedades de rugosidad y humectabilidad de los metales inducidas por el tratamiento con láser de femtosegundo. Aplica. Navegar. Ciencia. 257(12), 5213–5218 (2011).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Colombier, JP y cols. Efectos del acoplamiento electrón-fonón y la difusión de electrones sobre el crecimiento de ondas en metales irradiados con láser ultrarrápido. J. Aplica. Física. 111, 024902 (2012).

ADS del artículo Google Scholar

Bonse, J., Krüger, J., Höhm, S. y Rosenfeld, A. Estructuras superficiales periódicas inducidas por láser de femtosegundo. J. Aplicación láser. 24(4), 042006 (2012).

ADS del artículo Google Scholar

Rebollar, E., Castillejo, M. & Ezquerra, TA Estructuras superficiales periódicas inducidas por láser en películas poliméricas: de los fundamentos a las aplicaciones. EUR. Polimero. J. 73, 162-174 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Gnilitskyi, I. et al. Fabricación a alta velocidad de estructuras superficiales periódicas inducidas por láser de femtosegundo altamente regulares: origen físico de la regularidad. Ciencia. Rep. 7(1), 8485 (2017).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kotsiuba, Y., Hevko, I., Bellucci, S. & Gnilitskyi, I. Registro de mapas de bits y hologramas vectoriales mediante el uso de pulsos de láser de femtosegundos. Ciencia. Rep. 11, 16406 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Erkızan, SN et al. LIPSS para SERS: nanoestructuras periódicas escritas con láser directo recubiertas de metal para espectroscopía Raman mejorada en superficie. Adv. Optar. Madre. 10, 2200233 (2022).

Artículo de Google Scholar

Yasumaru, N., Miyazaki, K. y Kiuchi, J. Control de las propiedades tribológicas de películas de carbono similares a diamantes con nanoestructuración inducida por láser de femtosegundo. Aplica. Navegar. Ciencia. 254(8), 2364–2368 (2008).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Gnilitskyi, I. et al. Nanoestructuración láser para sensores de resonancia de plasmón de superficie basados en rejillas de difracción. Nanomateriales 11, 591 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tasolamprou, AC et al. Metasuperficies plasmónicas impresas con láser altamente ordenadas para una absorción perfecta sensible a la polarización. Ciencia. Rep. 12, 19769 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kuznietsov, OV y cols. Estructuras superficiales periódicas inducidas por láser de femtosegundo en condensados multicapa 2D de Ti-Fe. Nanomateriales 11, 316. https://doi.org/10.3390/nano11020316 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bonse, J. & Gräf, S. Diez preguntas abiertas sobre estructuras superficiales periódicas inducidas por láser. Nanomateriales 11(12), 3326 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kirner, SV y cols. Imitación de estructuras superficiales similares a insectos y su transporte de fluidos producido por irradiación de acero con pulsos láser ultracortos. Aplica. Física. A 123, 754 (2017).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Tsibidis, GD, Skoulas, E., Papadopoulos, A. y Stratakis, E. Generación impulsada por rodillos de convección de estructuras superficiales periódicas de longitud de onda supra sobre dieléctricos tras la irradiación con láseres pulsados de femtosegundos. Física. Rev. B Condens. Asunto 94(8), 081305 (2016).

ADS del artículo Google Scholar

Nivas, JJ y cols. Reducción del rendimiento de electrones secundarios mediante estructuración superficial periódica inducida por láser de pulso de femtosegundo. Navegar. Interfaces 25, 101179 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Hu, M. y col. Estructuración superficial periódica del cobre con lentes esféricas y cilíndricas. Nanomateriales 13(6), 1005 (2023).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

https://www.sensofar.com/.

https://www.adobe.com/ua/products/illustrator.html.

Villars, P. y Cenzual, K. (eds) Pearson's Crystal Data: base de datos de estructura cristalina para compuestos inorgánicos, versión 2020/21 (ASM International, Materials Park (OH), 2021).

Dollase, WA Corrección de intensidades para orientación preferida en difractometría de polvo: Aplicación del modelo de March. J. Aplica. Cristal. 19, 267–272 (1986).

Artículo CAS Google Scholar

Ghijsen, J. y col. Estructura electrónica de Cu2O y CuO. Física. Rev. B 38, 11322 (1988).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Schedel-Niedrig, T. et al. Formación de (sub)óxido de cobre: una caracterización sensible a la superficie de catalizadores modelo. Física. Química. Química. Física. 2, 2407–2417 (2000).

Artículo CAS Google Scholar

Barman, SR y Sarma, DD Investigación de los espectros Auger L3-M45M45 de Cu, Cu2O y CuO. J. Phys: Condens. Asunto 4, 7607–7616 (1992).

ADS CAS Google Académico

Mizoshiri, M., Ito, Y., Arakane, S., Sakurai, J. y Hata, S. Fabricación directa de un sensor de microtemperatura compuesto de Cu / Cu2O utilizando patrones de reducción con láser de femtosegundo. Japón. J. Aplica. Física. 55, 06GP05 (2016).

Artículo de Google Scholar

Li, CW y Kanan, MW Reducción de CO2 a bajo sobrepotencial en electrodos de Cu resultante de la reducción de películas gruesas de Cu2O. Mermelada. Química. Soc. 134, 7231–7234 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Lamy, E., Nadjo, L. & Saveant, JM Potencial estándar y parámetros cinéticos de la reducción electroquímica de dióxido de carbono en dimetilformamida. J. Electroanal. Química. 78, 403–407 (1977).

Artículo CAS Google Scholar

Berto, TC, Zhang, L., Hamers, RJ & Berry, JF Dependencia de electrolitos de la electrorreducción de CO2: los iones de tetraalquilamonio no son electrocatalizadores. ACS Catal. 5, 703–707 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Akselrud, L. & Grin, Y. WinCSD: Paquete de software para cálculos cristalográficos (Versión 4). J. Aplica. Cristalogr. 47, 803–805 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

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Este trabajo se llevó a cabo con el apoyo financiero parcial de la Fundación Nacional de Investigación de Ucrania (Acuerdo 2020.02/0309 “Diseño de mono y bimetales nanoestructurados polifuncionales con propiedades electrocatalíticas y antimicrobianas”).

Universidad Nacional Politécnica de Lviv, 12 Bandery Str., Lviv, 79013, Ucrania

Iaroslav Gnilitskyi, Mariana Shepida, Artur Mazur, Galyna Zozulya y Orest Kuntyi

“NoviNano Lab” LLC, 5 Pasternak, Lviv, 79000, Ucrania

Iaroslav Gnilitskyi

INFN-Laboratorios Nacionales de Frascati, Via E. Fermi 54, 00044, Frascati, Italia

Iaroslav Gnilitskyi y Stefano Bellucci

Departamento de Química, Universidad de Roma “La Sapienza”, plenaria A. Moro 5, 00185, Roma, Italia

Andrea Giacomo Marrani

Departamento de Química Inorgánica, Universidad Nacional Ivan Franko de Lviv, 6 Kyryla i Mefodiya Str., Lviv, 79005, Ucrania

Vasyl Kordan y Volodymyr Babizhetskyy

Universidad de Angers, Laboratorio de Fotónica de Angers LPhiA, SFR MATRIX, 2 Bd Lavoisier, 49045, Angers, Francia

Bouchta Saharaui

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IG, SB: metodología, investigación, curación de datos, redacción (borrador original), redacción: revisión y edición. AGM: investigación XPS, análisis formal, redacción (borrador original, redacción), revisión y edición. MS: investigación, curación de datos, redacción (borrador original), redacción: revisión y edición. AM: investigación de electrorreducción de CO2, visualización. GZ: metodología, redacción—borrador original, redacción—revisión y edición. VK: investigación SEM, análisis formal. VB: investigación XRD, análisis formal, redacción (borrador original, redacción), revisión y edición. BS: supervisión, discusión, redacción (borrador original), redacción: revisión y edición. OK: conceptualización, supervisión, metodología de investigación electroquímica, curación de datos, redacción—borrador original, redacción—revisión y edición, administración de proyectos. IG: conceptualización.

Correspondencia a Iaroslav Gnilitskyi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Gnilitskyi, I., Bellucci, S., Marrani, AG et al. Nano y microestructuración inducida por láser de femtosegundo de electrodos de Cu para electrorreducción de CO2 en medio de acetonitrilo. Informe científico 13, 8837 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35869-z

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Recibido: 05 de abril de 2023

Aceptado: 25 de mayo de 2023

Publicado: 31 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35869-z

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