Laser femtoseconde

Jul 24, 2023

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

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La dépendance du taux de réduction de CO2 dans une solution d'acétonitrile-Bu4NClO4 sur les 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) → sillons → pointes a été formée successivement par un certain nombre d'impulsions. Il a été prouvé que pour un plus grand nombre d'impulsions laser, la surface de la cathode de cuivre augmente et l'orientation préférée des lamelles de la surface de cuivre sur la direction cristallographique [022] et les valeurs de fluence plus importantes augmentent. Dans le même temps, la teneur en oxyde de cuivre (I) à la surface de la cathode en cuivre augmente. En outre, la tendance à des valeurs de fluidité plus élevées est observée. 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 avec 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 la concentration accrue de CO2 dans l'atmosphère, qui provoque l'effet de serre et l'augmentation de l'acidité des eaux océaniques et 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 derniers en composés carbonés. La réduction électrochimique du CO2 est l'une des voies prometteuses de conversion de ce gaz en produits aussi 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'électrode standard6. 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. De plus, la solubilité du CO2 dans les solutions aqueuses est faible, ce qui provoque une polarisation de la concentration.

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 cités 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 dans l'environnement des solvants organiques aprotiques16. De plus, leur stabilité électrochimique élevée permet de réduire le CO2 même à des potentiels cathodiques jusqu'à − 3,5 V sans réactions secondaires18,19,20. De plus, la solubilité du CO2 dans les solvants organiques aprotiques est supérieure d'un ordre de grandeur à sa solubilité dans l'eau. Il atteint des valeurs d'icathode élevées jusqu'à 80 mA cm−2 et des rendements faradiques (FE) jusqu'à 80 %12.

La réduction électrochimique du CO2 est un processus catalytique, de sorte que 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 des produits10,12,23,24,25,26,27,28,29,30. Les plus étudiées à cet égard sont les cathodes de cuivre, dont le rendement élevé est démontré par celles ayant une rugosité de surface élevée24,25,26,27, une structure semblable à de la 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 de formation d'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 en raison de sa capacité à atteindre une uniformité nanométrique et de son processus en une seule étape, sans masque, avec une vitesse de production industrielle38. De nombreuses études ont présenté les diverses applications du LIPSS, telles que l'holographie39, la spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS)40, la tribologie41, les capteurs42, la 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 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.

Récemment, la fabrication de LIPSS a été testée pour la réduction de l'émission d'électrons secondaires sur des échantillons de cuivre à l'aide d'impulsions laser femtosecondes polarisées linéairement et circulairement, rendant compte de l'influence des textures de surface formées sur le rendement d'électrons secondaires (SEY), abordant ainsi le rôle possible sur le rendement d'électrons secondaires de LIPSS sur une surface de cuivre avec des caractéristiques de taille inférieure à la longueur d'onde48. L'utilisation d'une lentille cylindrique dans la structuration de surface laser femtoseconde a également retenu l'attention, dans le but d'améliorer l'efficacité du traitement, adaptée au traitement de grande surface avec des faisceaux laser circulaires et elliptiques49.

Le présent travail vise à établir la dépendance du taux de réduction du CO2 dans un solvant organique aprotique (acétonitrile) à la topographie d'une cathode de cuivre modifiée par des impulsions laser femtoseconde.

Flux de travail expérimental pour la réduction du CO2 dans le schéma de conversion électrochimique avec des cathodes modifiées par des impulsions laser femtosecondes présentées sur la Fig. 1.

Esquisse d'expériences consistant en une configuration laser pour la génération de LIPSS (I) et un bloc de conversion électrochimique (II). La configuration laser implique : 1 - faisceau laser femtoseconde, 2 - galvoscanner, 3 - lentille F-thêta, 4 - échantillon Cu, 5 - images SEM enregistrées à partir d'échantillons irradiés. Le schéma de conversion électrochimique consiste en : des échantillons de Cu traités au laser comme cathode dans l'électrolyseur (1). Alimentations en gaz CO2 du ballon (2). La figure a été créée à l'aide d'Adope Illustrator50.

Le traitement au laser entraîne la formation de structures de surface périodiques (Fig. 2) qui couvrent de manière homogène une grande surface (1 cm2). La figure 2a montre l'échantillon dénommé "LIPSS". La figure 2c affiche les "rainures" de l'échantillon avec des structures qui sont préférentiellement alignées le long d'une direction parallèle à la polarisation du laser, et leur génération se produit généralement à des valeurs de fluence plus élevées et pour un nombre plus élevé d'impulsions laser, par rapport aux ondulations. La figure 2e montre l'échantillon "pointes", affichant des structures auto-organisées qui ont une forme sphérique à l'échelle du micromètre générées lors d'impulsions ultracourtes polarisées, avec une énergie par impulsion bien supérieure au seuil d'ablation. Une autre condition pour former des pointes est le taux de répétition élevé pour maintenir le processus d'accumulation de chaleur. Une telle accumulation de chaleur entraîne des processus hydrodynamiques complexes, comme cela a également été suggéré dans l'article45. La conséquence est une augmentation de la dispersion en surface avec la formation de structures ressemblant au chou-fleur (Fig. 2e). Comme le montre la figure 26, cette dernière est caractérisée par des structures hiérarchisées poreuses, ce qui est une des conditions pour augmenter l'activité catalytique de la cathode de cuivre en conversion du CO222,23,24,25,26,27,28,29.

Panneau de gauche : images SEM de structures de surface périodiques induites par laser femtoseconde de la fabrication de surfaces en cuivre : (a) LIPSS ; (c) rainures ; (e) pointes. Panneau de droite : profils 3D des surfaces modifiées au laser : (b) LIPSS ; (d) rainures; Les profils 3D ont été créés à l'aide de Sensofar Metrology (version 6.7.4.0)51.

Les profils 3D de la surface modifiée au laser mesurés par le profilomètre laser (LP) sont présentés à la Fig. 2 (panneau de droite). La rugosité quadratique moyenne de la surface non traitée (Ra) s'élève à 57 ± 5 nm selon les images LP. La surface de l'échantillon "LIPSS" (Fig. 2b) a un Ra de 70,4 ± 20 nm, tandis que les surfaces "rainures" et "pointes" affichent un Ra de 118 ± 20 nm et 319 ± 20 nm, respectivement (Fig. 2d, f). Dans tous les types de nano-microstructures auto-organisées, les structures de surface semblent être réparties de manière homogène.

Afin de déterminer les paramètres de réseau et les transformations possibles de la structure cristalline à la surface, l'ensemble de l'ajustement du motif du raffinement de Rietveld a été appliqué aux données XRD acquises. La figure 3 montre les modèles XRD pour différentes surfaces de cuivre traitées au laser. Tous les diagrammes XRD correspondent à une phase de cuivre cubique. Les résultats du raffinement ne montrent pratiquement aucun changement des paramètres de réseau, a = 3,615 Å. Elles correspondent aux données de la littérature52. Aucun déplacement des pics n'a été observé.

Motifs XRD d'une plaque de cuivre non traitée (a) et d'une surface de cuivre traitée au laser femtoseconde : (b) LIPSS, (c) rainures, (d) pointes. [002] le pic est mis en évidence par une ligne pointillée.

La différence entre les diagrammes XRD ne concernait que les intensités relatives des pics. Le motif XRD de la plaque de cuivre avec des structures LIPPS est moins modifié par rapport au motif XRD en cuivre non traité. L'intensité maximale attribuée au plan [022] augmente significativement, indiquant l'augmentation des effets texturés de la surface du cuivre. Les coefficients affinés de l'orientation préférentielle par la fonction March-Dollase53 sont 0,520(1) pour Cu non traité, 0,503(1)-LIPPS, 0,458(1)-sillons et 0,319(1)-spikes. La diminution des valeurs indique l'augmentation de la quantité de l'orientation préférée des lamelles pour la surface de la plaque de cuivre traitée. Il est d'accord avec l'augmentation des valeurs de fluence plus grandes et pour un nombre plus élevé d'impulsions laser.

XPS est connu pour être la technique d'élection pour l'analyse chimique de surface, étant donné le court libre parcours moyen inélastique des photoélectrons excités et la haute sensibilité de leur énergie cinétique vis-à-vis de la structure atomique et moléculaire du système étudié. L'analyse XPS a été effectuée sur tous les échantillons traités au laser (LIPSS, pointes et rainures) et sur un échantillon de référence en cuivre non traité. La grande région de section efficace de photoionisation de Cu 2p a été enregistrée (voir les figures S1, S2 et S3 pour d'autres régions), et la composante spin-orbite j = 3/2 correspondante est illustrée à la figure 4a pour chaque échantillon après déconvolution d'ajustement de courbe, à l'angle de décollage des photoélectrons de 21 °. Le spectre de la surface de cuivre non traitée (Fig. 4a, I) est dominé par une large composante (ombrée de rose) à une énergie de liaison (BE) de 934, 9 eV suivie d'un satellite s'étendant dans la plage de 940 à 945 eV. Dans les composés de cuivre, cette dernière caractéristique est attribuable à un état final ionisé à cœur non blindé à BE élevé, divisé en raison du couplage de spin à valence cœur, qui est typique des espèces d9 (Cu2+)54. La présence de cette caractéristique couplée à la position du pic principal nécessite la présence d'une couche d'oxyde de Cu(II) à la surface de l'échantillon de cuivre non traité.

(a) Régions Cu 2p3/2 XPS des échantillons (I) non traités (noir), (II) pointes (vert), (III) LIPSS (bleu) et (IV) rainures (rouge) avec des résultats d'ajustement de courbe. (b) Cu L3M4,5M4,5 Spectres Auger d'échantillons dans la même séquence. ( c ) Spectres Cu 2p3/2 XPS (I) et Cu L3M4,5M4,5 Auger (II) d'un échantillon Cu (0) pur de référence. ( d – f ) Comparaison entre les régions Cu 2p3 / 2 XPS acquises à des angles de décollage de photoélectrons de ( I ) 21 ° et ( II ) 81 ° pour les échantillons ( d ) LIPSS, ( e ) rainures et ( f ) pointes.

En passant aux échantillons traités au laser (Fig. 4a, II – IV), il apparaît la croissance d'un composant à faible énergie à 932, 2 eV, qui était déjà légèrement souligné dans le spectre I de la Fig. 4a. Cette composante augmente en intensité dans la séquence d'échantillons : non traités < pointes < LIPSS < sillons (I < II < III < IV, respectivement), aux dépens du large pic à 934,9 eV. Selon sa position BE, ce pic pourrait être associé à la présence de Cu(0) et de Cu(I), qui sont connus pour être indiscernables en termes de Cu 2p BE54,55. En conséquence, le spectre d'électrons Auger excité par les rayons X Cu L3M4, 5M4, 5 a été acquis pour tous les échantillons (voir Fig. 4b), et un échantillon de référence métallique Cu (0) supplémentaire a été analysé dans les régions Cu 2p et Auger (voir Fig. 4c). Les spectres d'électrons Auger affichent une forme de raie Cu (II) typique dans le cas d'un échantillon non traité (Fig. 4b, I), confirmant l'interprétation du spectre Cu 2p, qui se transforme progressivement en celle d'une espèce mixte Cu (II) / Cu (I) pour les autres échantillons (Fig. 4b, II – IV) 56. La comparaison avec le spectre Auger de référence du cuivre métallique (Fig. 4c, I) exclut la détection de Cu (0) dans tous les spectres Cu 2p (Fig. 4a), probablement en raison de la présence d'une couche d'oxyde de cuivre natif sur la surface des électrodes. Le rapport Cu(II)/Cu(I) a été quantifié par ajustement de courbe à partir des zones des composants correspondants (pics ombrés de rose et de couleur cyan, respectivement), en considérant que le satellite dérivé du couplage cœur-valence est attribuable uniquement à Cu(II). Les ratios obtenus sont de 34,6, 14,9, 5,4 et 3,8 dans la séquence d'échantillons : non traité > pointes > LIPSS > rainures (I > II > III > IV, respectivement), soutenant une diminution de Cu(II) en faveur de Cu(I) de l'échantillon non traité vers les rainures.

Afin d'étudier la distribution en profondeur du composant Cu (I) détecté dans les électrodes traitées au laser, des spectres XPS ont également été acquis à un angle de décollage de photoélectrons rasant (81 °), ce qui implique une profondeur d'échantillonnage de surface plus courte (Fig. 4d – f). Une comparaison pour chaque échantillon aux deux angles de décollage montre que le signal Cu (I) est amélioré à l'angle rasant, indiquant la présence d'espèces Cu (I) en tant que surcouche de surface, avec la couche Cu (II) juste en dessous.

De plus, selon la figure 4a, l'enrichissement en Cu(I) ne se produit que dans les échantillons traités au laser et à un degré différent pour chacun d'eux. Dans un passé récent, il a été démontré que le traitement au laser de l'oxyde de Cu(II) (CuO) conduit à une réduction chimique et à la formation d'oxyde cuivreux de Cu(I) (Cu2O) et éventuellement de cuivre métallique, selon les conditions expérimentales adoptées56.

Il est probable que dans ce cas également un mécanisme similaire est actif, c'est-à-dire une réduction induite par laser de CuO natif sur l'électrode de cuivre selon la réaction (9). Parmi les échantillons étudiés, les "rainures" sont celles avec le composant Cu (I) le plus important, ce qui pourrait être dû à l'effet synergique d'une énergie laser élevée et d'un taux de répétition élevé. Dans les travaux24,57,58 ont montré que dans les solutions aqueuses, Cu2O à la surface des électrodes de cuivre catalyse la réduction du CO2 en CO à de faibles surtensions. Cela permet d'augmenter les valeurs d'icathode avec des rendements faradiques élevés. Un effet similaire de Cu2O devrait également être attendu pour l'électroréduction du CO2 dans les solvants aprotiques organiques.

Les voltammogrammes cycliques (CV) pour les électrodes en Cu dans des solutions d'acétonitrile saturées en CO2 (Fig. 5a) sont typiques de l'environnement des solvants aprotiques organiques10,11,12,13,18,59. Des valeurs appréciables des courants cathodiques sont observées à E < - 2 V. Cela est dû au facteur milieu non aqueux, où en l'absence d'eau, la réaction cathodique dominante (6) a lieu, dont la valeur du potentiel d'électrode standard est faible. Il a été rapporté que dans le solvant organique aprotique DMF E0CO2/CO2 = − 2,2159 ou − 1,97 V60 vs SHE. Il faut s'attendre à ce que dans les solutions d'acétonitrile, cette valeur soit approximativement la même.

(a) Electrolyse potentiostatique sur électrodes de cuivre dans des solutions d'acétonitrile Bu4NClO4 saturées en CO2 0,05 M : Cu1-LIPSS ; Cu2—rainures ; Cu3—pointes. (b) Voltammogrammes cycliques pour l'électrode Cu dans des solutions d'acétonitrile Bu4NClO4 saturées en CO2 0,05 M : (I) Cu0 - non traité ; (II) Cu1-LIPSS ; (III) Cu2—rainures ; (4) Cu3—pointes.

L'effet de topographie de surface du cuivre se manifeste dans les valeurs des courants cathodiques depuis le début de la réduction électrochimique active du CO2 (E ~ - 1,5 V) jusqu'à E = - 3,0 V (Fig. 5b(II)). Aux cathodes de cuivre avec des pointes, l'icathode presque deux fois la valeur de cette valeur prévaut aux cathodes à partir d'une surface de cuivre lisse. De plus, les valeurs de courant ne diminuent pas avec le temps (Fig. 5a), ce qui indique la stabilité de la réduction électrochimique du CO2 aux cathodes de cuivre modifiées.

En plus de l'augmentation de la surface spécifique de l'électrode de cuivre, la croissance des courants cathodiques est évidente en raison de l'augmentation de l'activité de surface. Cela est particulièrement évident sur les électrodes à pointes, qui se caractérisent par une concentration accrue de centres actifs. La topographie de la surface provoque ce qui précède (Fig. 2e) et provoque également des valeurs de fluence plus élevées, qui se produisent par une augmentation de la quantité d'orientation préférée des lamelles pour la surface de la plaque de cuivre traitée (Fig. 5).

Avec une augmentation du potentiel cathodique, on observe une montée rapide des valeurs des courants cathodiques (Fig. 5b). Cela peut s'expliquer par le facteur d'influence du solvant organique aprotique. L'acétonitrile, en tant que molécule polaire, est adsorbé sur une cathode de cuivre avec formation de complexes de surface dus à l'interaction donneur-accepteur Cu ← :N≡C–CH3. Par conséquent, la surface cathodique est bloquée. Une augmentation des potentiels cathodiques, c'est-à-dire une augmentation de la charge négative, provoque la désorption de CH3CN, ce qui facilite les processus de réduction par réactions (6, 8).

Le taux de réduction électrochimique du CO2 à la surface de la cathode de modification laser femtoseconde est presque égal au taux de réduction sur la cathode en or, et la valeur de l'icathode est juste derrière l'électrode de diffusion de gaz Pb (tableau 1). Cependant, ce dernier est technologiquement difficile à fabriquer.

Contrairement aux solutions aqueuses, la réduction du CO2 dans les solvants aprotiques organiques permet l'électrolyse dans une large gamme de potentiels cathodiques (jusqu'à E = - 3,0 V), produisant l'oxyde et l'oxalate de carbone (II) sans processus secondaires. Cette caractéristique du milieu non aqueux a été utilisée pour étudier l'efficacité de la modification de surface des cathodes de cuivre par induction laser. Au fur et à mesure que le nombre d'impulsions et l'intensité du traitement laser augmentent, trois types de topographie de surface de cuivre LIPSS → rainures → pointes se forment successivement. En conséquence, la zone cathodique, l'orientation préférée des lamelles de la surface du cuivre dans la direction cristallographique [022] et les valeurs de fluence plus importantes augmentent. Dans le même temps, la teneur en oxyde de cuivre (I) à la surface de la cathode en cuivre augmente, ce qui augmente son activité électrocatalytique. Il contribue à augmenter les courants de réduction de CO2, de 8 mA cm−2 pour les cathodes LIPSS à 14 mA cm−2 pour les pointes à Econstant = -3,0 V, ce qui est identique à une augmentation du taux de conversion cathodique de l'oxyde de carbone(IV).

L'irradiation laser a été effectuée sur une feuille de cuivre électrolytique à l'aide d'une source laser Yb:KGW fonctionnant à une longueur d'onde de 1030 nm. Le laser a émis des impulsions polarisées linéairement avec une durée d'impulsion de 266 fs.

Afin de contrôler le mouvement du faisceau laser, une tête de balayage galvanométrique (ExceliScan, ScanLab) équipée d'une lentille F-thêta a été utilisée. La distance focale de l'objectif a été fixée à 72 mm.

Les échantillons ont été fixés sur une platine de translation à 6 axes contrôlée par ordinateur (Standa, Lituanie). La taille du spot a été déterminée comme étant d'environ 11,5 μm de diamètre à une intensité de 1/e2. Les paramètres laser ont été décrits dans le tableau 2.

La réduction électrochimique du CO2 sur des cathodes de cuivre avec des structures de surface périodiques induites par laser femtoseconde a été étudiée par voltamétrie cyclique et chronoampérométrie dans une solution 0,05 M de perchlorate de tétrabutylammonium (Bu4NClO4) d'acétonitrile (CH3CN, AN). La solution a été pré-saturée avec du dioxyde de carbone pendant 30 min. Pour la recherche, on a utilisé une cellule électrochimique standard à trois électrodes de 50 cm3, une électrode de travail de 1 × 1 cm, un auxiliaire en platine et une électrode de référence en chlorure d'argent (Ag/AgCl, E0 = 0,198 V vs. NHE, toutes les valeurs de potentiel seront désormais référencées à cette électrode). Des voltammogrammes cycliques pour l'électrode de cuivre ont été réalisés dans la plage de potentiel de E = 0, 0 V à - 3, 0 V avec une vitesse de balayage potentielle de 50 mV s -1. L'électrolyse potentiostatique a été réalisée à E = - 1,5 ; − 2,0 ; − 2,5 ; − 3,0 V. Des études électrochimiques ont été réalisées à l'aide d'un potentiostat MTech PGP-550S.

L'examen SEM des échantillons a été réalisé en utilisant un microscope électronique Tescan Vega 3 LMU équipé d'un détecteur à dérive au silicium X-MaxN 20. Les compositions globales ont été étudiées à l'aide de la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX); Tension du pistolet 25 kV, mode de tir Détecteurs SE et BSE, distance de travail 15–16 mm, vide 10–3 Pa.

L'analyse de phase de quatre spécimens a été réalisée à l'aide de données de diffraction des rayons X. Les données d'intensité XRD ont été recueillies sur un diffractomètre automatique HZG-4a (rayonnement CuKα, λ = 1,54179 Å, 2θmax = 120°, mode step-scan avec une taille de pas de 0,05°(2θ) et un temps de comptage de 25 à 30 s par point de données, étalon externe d'étalonnage Si). Dans cette étude, le progiciel WinCSD61 a été utilisé pour la quantification et le calcul des paramètres structurels.

Les spectres XP ont été enregistrés à l'aide d'un système MXPS Omicron NanoTechnology modifié équipé d'une source monochromatique (Omicron XM-1000) et d'un analyseur d'énergie Omicron EA-125. Le rayonnement excitateur utilisé était Al Kα (hυ = 1486,7 eV), généré en faisant fonctionner l'anode à 14 kV et 16 mA. Toutes les régions de photoionisation ont été acquises à l'aide d'une énergie de passage d'analyseur de 20 eV, à l'exception du balayage d'enquête, pris à une énergie de passage de 50 eV. Des angles de décollage (θ) de 21° et 81° par rapport à la normale à la surface de l'échantillon ont été adoptés, cette dernière correspondant à une profondeur d'échantillonnage plus faible (sensibilité de surface plus élevée). Les mesures ont été effectuées à température ambiante et la pression de base dans la chambre de l'analyseur était d'environ 2 × 10–9 mbar. Les données expérimentales ont été ajustées à l'aide d'une fonction linéaire pour reproduire le bruit de fond des électrons secondaires et les fonctions pseudo-Voigt pour les pics élastiques. Ces courbes sont décrites par un ensemble commun de paramètres (position, FWHM, rapport gaussien-lorentzien) qui ont été laissés libres de varier dans des limites étroites. Le rapport gaussien-lorentzien a été laissé libre de varier entre 0,7 et 0,9. Des rapports de surface déterminés expérimentalement (avec une erreur associée de ± 10 %) ont été utilisés pour estimer les rapports atomiques XPS entre les composants Cu(II) et Cu(I).

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Davis, SJ, Caldeira, K. & Matthews, HD Futures émissions de CO2 et changement climatique des infrastructures énergétiques existantes. Sciences 329 (5997), 1330-1333 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Peters, GP et al. Les émissions de dioxyde de carbone continuent de croître au milieu de politiques climatiques qui émergent lentement. Nat. Clim. Chang. 10, 3–6 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Nitopi, S. et al. Progrès et perspectives de la réduction électrochimique du CO2 sur le cuivre en électrolyte aqueux. Chim. Rév. 119(12), 7610–7672 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Tufa, RA et al. Vers une réduction électrochimique hautement efficace du CO2 : conceptions de cellules, membranes et électrocatalyseurs. Appl. Énergie 277, 115557 (2020).

Article CAS Google Scholar

Dongare, S., Singh, N., Bhunia, H., Bajpai, PK & Das, AK Réduction électrochimique du dioxyde de carbone en éthanol : un examen. ChimieSelect 6(42), 11603–11629 (2021).

Article CAS Google Scholar

Francke, R., Schille, B. & Roemelt, M. Électroréduction catalysée de manière homogène du dioxyde de carbone - Méthodes, mécanismes et catalyseurs. Chim. Rév. 118(9), 4631–4701 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Maniam, KK & Paul, S. Liquides ioniques et solvants eutectiques profonds pour les technologies de conversion du CO2 - Une revue. Documents 14(16), 4519 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mohammed, SAS, Yahya, WZN, Bustam, MA & Kibria, MG Élucidation des rôles du liquide ionique dans la réduction électrochimique du CO2 en produits chimiques et carburants à valeur ajoutée. Molécules 26(22), 6962 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shama, VM, Swami, AR, Aniruddha, R., Sreedhar, I. & Reddy, BM Processus et aspects techniques de la capture du carbone par des liquides ioniques. J. CO2 Util. 48, 101507 (2021).

Article CAS Google Scholar

Rudnev, AV et al. Électroréduction du CO2 sur des électrodes monocristallines de platine modifiées au Cu en milieu aprotique. Électrocatalyse 6, 42–50 (2015).

Article CAS Google Scholar

Shi, J. et al. Cellule d'électrolyse sans membrane pour la réduction du CO2 en CO dans le carbonate de propylène/perchlorate de tétrabutylammonium. J. Electrochem. Soc. 165(3), G51–G55 (2018).

Article CAS Google Scholar

König, M., Lin, S.-H., Vaes, J., Pant, D. & Klemm, E. Intégration de la réduction aprotique du CO2 en oxalate sur un catalyseur Pb dans une configuration de cellule d'écoulement GDE. Discutez de Faraday. 230, 360–374 (2021).

Article ADS PubMed Google Scholar

Figueiredo, MC, Ledezma-Yanez, I. & Koper, MTM Étude spectroscopique in situ de l'électroréduction du CO2 aux électrodes de cuivre dans l'acétonitrile. ACS Catal. 6(4), 2382–2392 (2016).

Article CAS Google Scholar

Banda-Aleman, JA, G. Orozco, E. Bustos, S. Sepúlveda et J. Manriquez. par double impulsion potentiostatique. J. CO2 utile. Rév. 27, 459–471 (2018).

Article Google Scholar

Mendieta-Reyes, NE, Cheuquepán, W., Rodes, A. & Gómez, R. Étude spectroélectrochimique de la réduction du CO2 sur des électrodes de TiO2 dans l'acétonitrile. ACS Catal. 10(1), 103–113 (2020).

Article CAS Google Scholar

Aljabour, A. et al. Oxyde de cobalt nanofibreux pour l'électrocatalyse de la réduction du CO2 en monoxyde de carbone et formiate dans une solution d'électrolyte acétonitrile-eau. Appl. Catal. B Environ. 229, 163-170 (2018).

Article CAS Google Scholar

Kaiser, U. & Heitz, E. Sur le mécanisme de la dimérisation électrochimique du CO2 en acide oxalique. environ. Bunsen Ges. 77, 818-823 (1973).

Article CAS Google Scholar

Kuntyi, O., Zozulya, G. & Shepida, M. Électroréduction du CO2 dans les solvants aprotiques organiques : une mini revue. J Chem. 1306688 (2022).

Chen, T. et al. Des anions spécifiquement adsorbés améliorent la réduction électrochimique du CO2 en CO sur un catalyseur au gallium dans les électrolytes organiques. Combustibles énergétiques 35, 17784–17790 (2021).

Article CAS Google Scholar

Shi, J. et al. Conception d'une cellule d'électrolyse à deux compartiments pour la réduction du CO2 en CO dans le perchlorate de tétrabutylammonium/carbonate de propylène pour le stockage d'énergie électrique renouvelable. J. Electrochem. Soc. 163, G82–G87 (2016).

Article CAS Google Scholar

Mendieta-Reyes, NE, Díaz-García, AK & Gómez, R. Réduction électrocatalytique simultanée du CO2 et effet électrochromique amélioré aux électrodes nanostructurées WO3 dans l'acétonitrile. ACS Catal. 8, 1903-1912 (2018).

Article CAS Google Scholar

Freitas, WS, D'Epifanio, A. & Mecheri, B. Réduction électrocatalytique du CO2 sur les matériaux nanostructurés à base de métal : défis et contraintes pour une voie durable vers la décarbonation. J. CO2 Util. 50, 101579 (2021).

Article Google Scholar

Loiudice, A. et al. Adaptation des nanocristaux de cuivre vers des produits C2 dans la réduction électrochimique du CO2. Angew. Chim. Int. Éd. 55, 5789–5792 (2016).

Article CAS Google Scholar

Jiang, K. et al. Effets de la rugosité de surface sur la réduction électrochimique du CO2 sur Cu. ACS Energy Lett. 5(4), 1206-1214 (2020).

Article CAS Google Scholar

Mistry, H. et al. Catalyseurs au cuivre activés par plasma hautement sélectifs pour la réduction du dioxyde de carbone en éthylène. Nat. Commun. 7, 12123 (2016).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Veenstra, FLP, Ackerl, N., Martín, AJ & Pérez-Ramírez, J. Le cuivre microstructuré au laser révèle des schémas de sélectivité dans la réduction électrocatalytique du CO2. Chim. 6(7), 1707-1722 (2020).

Article CAS Google Scholar

Gimpel, T. et al. Réduction électrochimique du dioxyde de carbone sur des électrodes de cuivre traitées au laser femtoseconde : effet sur les produits liquides par structuration et dopage. ACS Appl. Matière énergétique. 4, 5927–5934 (2021).

Article CAS Google Scholar

Klingan, K. et al. Déterminants de la réactivité dans les mousses de Cu électrodéposées pour la réduction électrochimique du CO2. Chemsuschem 11, 1–12 (2018).

Article Google Scholar

Dutta, A., Rahaman, M., Mohos, M., Zanetti, A. & Broekmann, P. Conversion électrochimique du CO2 à l'aide de catalyseurs Cu de type squelette (éponge). ACS Catal. 7(8), 5431–5437 (2017).

Article CAS Google Scholar

Rashid, N., Bhat, MA & Ingole, PP Démêler la chimie des surfaces de catalyseurs et des solvants vers la formation de liaisons C – C par l'activation et la conversion électrochimique du CO2 en hydrocarbures sur du cuivre dendritique microstructuré, Durable. Carburants énergétiques 6, 128–142 (2022).

CAS Google Scholar

Bixler, GD & Bhushan, B. L'effet d'aile de riz et d'aile de papillon a inspiré des surfaces autonettoyantes et à micro/nanomotif à faible traînée dans l'eau, l'huile et le flux d'air. Nanoscale 6(1), 76–96 (2014).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Harzic, RL et al. Ondulations de grande surface, uniformes et à haute fréquence spatiale générées sur du silicium à l'aide d'un laser nanojoule-femtoseconde à taux de répétition élevé. Opter. Lett. 36(2), 229-231 (2011).

Article ADS PubMed Google Scholar

Buividas, R., Mikutis, M. & Juodkazis, S. Structuration en surface et en vrac des matériaux par des ondulations avec des impulsions laser longues et courtes : avancées récentes. Programme. Électron quantique. 38(3), 119–156 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Bizi-Bandoki, P., Benayoun, S., Valette, S., Beaugiraud, B. & Audouard, E. Modifications des propriétés de rugosité et de mouillabilité des métaux induites par le traitement au laser femtoseconde. Appl. Le surf. Sci. 257(12), 5213–5218 (2011).

Article ADS CAS Google Scholar

Colombier, JP et al. Effets du couplage électron-phonon et de la diffusion des électrons sur la croissance des ondulations sur les métaux irradiés par laser ultrarapide. J. Appl. Phys. 111, 024902 (2012).

Annonces d'article Google Scholar

Bonse, J., Krüger, J., Höhm, S. & Rosenfeld, A. Structures de surface périodiques induites par laser femtoseconde. J. Laser Appl. 24(4), 042006 (2012).

Annonces d'article Google Scholar

Rebollar, E., Castillejo, M. & Ezquerra, TA Structures de surface périodiques induites par laser sur des films polymères : des fondamentaux aux applications. EUR. Polym. J. 73, 162-174 (2015).

Article CAS Google Scholar

Gnilitskyi, I. et al. Fabrication à grande vitesse de structures de surface périodiques induites par laser femtoseconde hautement régulières : origine physique de la régularité. Sci. Rep. 7(1), 8485 (2017).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kotsiuba, Y., Hevko, I., Bellucci, S. & Gnilitskyi, I. Bitmap et enregistrement vectoriel d'hologrammes à l'aide d'impulsions laser femtosecondes. Sci. Rep. 11, 16406 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Erkizan, SN et al. LIPSS pour SERS : nanostructures périodiques écrites par laser direct revêtues de métal pour la spectroscopie Raman améliorée en surface. Adv. Opter. Mater. 10, 2200233 (2022).

Article Google Scholar

Yasumaru, N., Miyazaki, K. & Kiuchi, J. Contrôle des propriétés tribologiques des films de carbone de type diamant avec nanostructuration induite par laser femtoseconde. Appl. Le surf. Sci. 254(8), 2364–2368 (2008).

Article ADS CAS Google Scholar

Gnilitskyi, I. et al. Nanostructuration laser pour capteurs à résonance plasmon de surface basés sur des réseaux de diffraction. Nanomatériaux 11, 591 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tasolamprou, AC et al. Métasurfaces plasmoniques imprimées au laser hautement ordonnées pour une absorption parfaite sensible à la polarisation. Sci. Rep. 12, 19769 (2022).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kuznietsov, OV et al. Structures de surface périodiques induites par laser femtoseconde sur des condensats multicouches Ti-Fe 2D. Nanomatériaux 11, 316. https://doi.org/10.3390/nano11020316 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bonse, J. & Gräf, S. Dix questions ouvertes sur les structures de surface périodiques induites par laser. Nanomatériaux 11(12), 3326 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kirner, SV et al. Imitation de structures de surface ressemblant à des insectes et de leur transport de fluide produit par irradiation d'acier par impulsions laser ultracourtes. Appl. Phys. A 123, 754 (2017).

Article ADS CAS Google Scholar

Tsibidis, GD, Skoulas, E., Papadopoulos, A. & Stratakis, E. Génération par convection de structures de surface périodiques supra-longueur d'onde sur des diélectriques lors d'une irradiation avec des lasers pulsés femtoseconde. Phys. Rév. B Condens. Affaire 94(8), 081305 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Nivas, JJ et al. Réduction du rendement électronique secondaire par structuration de surface périodique induite par laser à impulsion femtoseconde. Le surf. Interfaces 25, 101179 (2021).

Article CAS Google Scholar

Hu, M. et al. Structuration périodique de surface du cuivre avec des lentilles sphériques et cylindriques. Nanomatériaux 13(6), 1005 (2023).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

https://www.sensofar.com/.

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

Villars, P. & Cenzual, K. (eds) Pearson's Crystal Data—Crystal Structure Database for Inorganic Compounds, version 2020/21 (ASM International, Materials Park (OH), 2021).

Dollase, WA Correction des intensités pour l'orientation préférentielle en diffractométrie des poudres : Application du modèle March. J. Appl. Crist. 19, 267-272 (1986).

Article CAS Google Scholar

Ghijsen, J. et al. Structure électronique de Cu2O et CuO. Phys. Rev. B 38, 11322 (1988).

Article ADS CAS Google Scholar

Schedel-Niedrig, T. et al. Formation de (sous)oxyde de cuivre : une caractérisation sensible à la surface des catalyseurs modèles. Phys. Chim. Chim. Phys. 2, 2407–2417 (2000).

Article CAS Google Scholar

Barman, SR & Sarma, DD Etude des spectres Auger L3–M45M45 de Cu, Cu2O et CuO. J. Phys : Condens. Matière 4, 7607–7616 (1992).

Annonces CAS Google Scholar

Mizoshiri, M., Ito, Y., Arakane, S., Sakurai, J. & Hata, S. Fabrication directe d'un capteur de micro-température composite Cu/Cu2O à l'aide d'un motif de réduction laser femtoseconde. Jpn. J. Appl. Phys. 55, 06GP05 (2016).

Article Google Scholar

Li, CW & Kanan, MW Réduction du CO2 à faible surpotentiel sur les électrodes Cu résultant de la réduction des couches épaisses de Cu2O. Confiture. Chim. Soc. 134, 7231–7234 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Lamy, E., Nadjo, L. & Saveant, JM Potentiel standard et paramètres cinétiques de la réduction électrochimique du dioxyde de carbone dans le diméthylformamide. J. Electroanal. Chim. 78, 403–407 (1977).

Article CAS Google Scholar

Berto, TC, Zhang, L., Hamers, RJ & Berry, JF Dépendance électrolytique de l'électroréduction du CO2 : les ions tétraalkylammonium ne sont pas des électrocatalyseurs. ACS Catal. 5, 703–707 (2015).

Article CAS Google Scholar

Akselrud, L. & Grin, Y. WinCSD : Progiciel de calculs cristallographiques (Version 4). J. Appl. Cristallologue. 47, 803–805 (2014).

Article CAS Google Scholar

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Ce travail a été réalisé avec le soutien financier partiel de la Fondation nationale de la recherche d'Ukraine (Accord 2020.02/0309 "Conception de mono- et bimétaux nanostructurés polyfonctionnels aux propriétés électrocatalytiques et antimicrobiennes").

Université nationale polytechnique de Lviv, 12 Bandery Str., Lviv, 79013, Ukraine

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

"NoviNano Lab" LLC, 5 Pasternak, Lviv, 79000, Ukraine

Iaroslav Gnilitsky

INFN-Laboratoires nationaux de Frascati, Via E. Fermi 54, 00044, Frascati, Italie

Iaroslav Gnilitskyi & Stefano Bellucci

Département de chimie, Université de Rome "La Sapienza", p.le A. Moro 5, 00185, Rome, Italie

Andréa Giacomo Marrani

Département de chimie inorganique, Université nationale Ivan Franko de Lviv, 6 Kyryla i Mefodiya Str., Lviv, 79005, Ukraine

Vasyl Kordan et Volodymyr Babizhetsky

Université d'Angers, Laboratoire Photonique d'Angers LPhiA, SFR MATRIX, 2 Bd Lavoisier, 49045, Angers, France

Bouchta Sahraoui

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IG, SB : méthodologie, enquête, conservation des données, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition. AGA : enquête XPS, analyse formelle, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition. MS : enquête, conservation des données, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition. AM : étude de l'électroréduction du CO2, visualisation. GZ : méthodologie, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition. VK : Enquête SEM, analyse formelle. VB : Enquête XRD, analyse formelle, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition. BS : supervision, discussion, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition. OK : conceptualisation, supervision, méthodologie de l'investigation électrochimique, conservation des données, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition, administration du projet. IG : conceptualisation.

Correspondance à Iaroslav Gnilitskyi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Gnilitskyi, I., Bellucci, S., Marrani, AG et al. Nano- et microstructuration induite par laser femtoseconde d'électrodes de Cu pour l'électroréduction du CO2 en milieu acétonitrile. Sci Rep 13, 8837 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35869-z

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Reçu : 05 avril 2023

Accepté : 25 mai 2023

Publié: 31 mai 2023

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

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