フェムト秒レーザー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8837 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

銅表面のレーザー誘導によって修飾されたカソードに対するアセトニトリル-Bu4NClO4溶液中のCO2還元速度の依存性を研究した。 一定数のパルスにより、レーザー誘起周期表面構造（LIPSS）→溝→スパイクのトポグラフィーが連続的に形成されました。 レーザーパルスの数が増えると、銅陰極の表面積が増加し、[022]結晶方向上の銅表面の優先板状配向とより大きなフルエンス値が増加することが証明されました。 同時に、銅陰極表面の酸化銅(I)の含有量が増加します。 また、流暢性値が大きくなる傾向が観察されます。 これは CO2 削減のための陰極電流密度の増加を促進し、安定したプロセスでは E = − 3.0 V でスパイク表面構造を持つサンプルの値 14 mA cm-2 に達します。

惑星レベルでの主な環境問題の 1 つは、大気中の CO2 濃度の増加であり、これが温室効果と海洋および海水の酸性度の増加を引き起こします1。 このガスの濃度の増加傾向を考慮して2、ここ数十年、酸化炭素(IV)の排出を削減し、酸化炭素を炭素含有化合物に加工する研究が積極的に行われてきました。 電気化学的 CO2 還元は、このガスを CO、CH4、C2H4、CH3OH、CH3COOH、CH3CHO、HCOOH、(COOH)2 などの貴重な生成物に変換する有望なルートの 1 つです 3,4,5,6。 水溶液中での陰極分極によるこれらの生成物の形成反応 (1 ～ 4) は、標準電極電位の値が比較的近いという特徴があります 6。 これにより、どの製品でも CO2 変換の選択性が低くなります。 E0 = − 0.83 V (vs. NHE) の水溶液では、水の電気化学的還元が始まり (5)、その割合はカソード電位の増加とともに増加し、カソード電位の値は − 1.0… − 1.3 V に制限されます。さらに、水溶液中の CO2 の溶解度は低いため、濃度分極が発生します。

非水媒体、主にイオン液体 7、8、9 および有機非プロトン性溶媒 10、11、12、13、14、15、16 における CO2 の電気化学的還元により、水溶液の前述の欠点を排除または軽減することが可能になります。 水が存在しない場合、CO2 はシュウ酸アニオン (6, 7) と CO (8) に変換されます 12,17。 したがって、これらは有機非プロトン性溶媒環境における主な生成物です16。 さらに、電気化学的安定性が高いため、最大 -3.5 V の陰極電位でも副反応なしに CO2 を削減できます 18、19、20。 さらに、非プロトン性有機溶媒に対する CO2 の溶解度は、水に対する CO2 の溶解度よりも 1 桁大きくなります。 最大 80 mA cm-2 の高い陰極値と最大 80% のファラデー効率 (FE) を達成します12。

CO2 の電気化学的還元は触媒プロセスであるため、水溶液 3、4、5、21、22、23 および有機非プロトン性溶媒 18 での変換速度は、カソード表面と構造の性質に依存します。

近年、電極トポグラフィーが CO2 変換の電気化学プロセスに与える影響、ひいては生成物の収率に大きな注目が集まっています 10、12、23、24、25、26、27、28、29、30。 この点で最も研究されているのは銅陰極であり、高い表面粗さ 24、25、26、27、泡状構造 27、高度に多孔質の 3D 骨格 (スポンジ)28、および樹枝状構造 29 を持つ陰極によって高い効率が示されます。

レーザー処理は、触媒活性のある CO2 還元電極の高度に発達した表面を形成するための最新の有望な方法の 1 つです 26,27。 レーザー処理は、半導体 31、32、金属 33、34、35、誘電体 36、およびポリマー 37 の表面にマイクロメートル構造を誘導する効率的な技術として実証されています。 つい最近まで、高い規則性で知られるレーザー誘起周期表面構造 (LIPSS) 技術が、ナノメートルの均一性を達成できる能力と、工業生産速度での単一ステップのマスクレスプロセスにより、大幅な進歩を遂げました 38。 ホログラフィー 39、表面増強ラマン分光法 (SERS) 40、トライボロジー 41、センサー 42、プラズモニクス 43、その他 44、45 など、多くの研究で LIPSS の多様な応用が実証されています。 超短レーザーパルスを使用することで、さまざまなパラメーターを細かく調整することで、複雑な構成を備えた広範囲の微細構造を作成できます。 レーザーパルスの数を変更し、レーザーフルエンスを調整することにより、六角形、溝、スパイクを生成できます46,47。 このアプローチは、超短レーザーの比類のない多用途性を実証し、ほぼすべての製造プロセスに適用できるようにします。 さらに、この単一ステップのプロセスでは、真空やその他の複雑な設定が必要ありません44、45。