펨토초 레이저

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8837(2023) 이 기사 인용

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구리 표면의 레이저 유도에 의해 수정된 음극에 대한 아세토니트릴-Bu4NClO4 용액의 CO2 감소율 의존성을 연구했습니다. 레이저 유도 주기 표면 구조(LIPSS) → 홈 → 스파이크의 지형이 특정 수의 펄스에 의해 연속적으로 형성되었습니다. 레이저 펄스 수가 많을수록 구리 음극의 표면적이 증가하고 결정 방향에서 구리 표면의 선호 판상 방향과 더 큰 플루언스 값이 증가한다는 것이 입증되었습니다. 동시에, 구리 음극 표면의 산화구리(I) 함량이 증가한다. 또한 유창성 값이 커지는 경향이 관찰됩니다. 이는 안정적인 공정에서 E = - 3.0V에서 스파이크 표면 구조를 갖는 샘플의 경우 14mA cm-2 값에 도달하는 CO2 감소를 위한 음극 전류 밀도의 증가를 촉진합니다.

행성 수준의 주요 환경 문제 중 하나는 대기 중 CO2 농도가 증가하여 온실 효과가 발생하고 해양 및 해수의 산성도가 증가한다는 것입니다1. 최근 수십 년 동안 이 가스의 농도가 증가하는 추세를 고려하여 산화탄소(IV) 배출을 줄이고 이를 탄소 함유 화합물로 가공하는 연구가 활발히 진행되었습니다. 전기화학적 CO2 환원은 이 가스를 CO, CH4, C2H4, CH3OH, CH3COOH, CH3CHO, HCOOH, (COOH)2 등의 가치 있는 제품으로 전환하는 유망한 경로 중 하나입니다.3,4,5,6. 수용액에서 음극 분극에 따른 이들 생성물의 형성 반응(1-4)은 상대적으로 가까운 표준 전극 전위 값을 특징으로 합니다6. 이로 인해 모든 제품의 CO2 전환 선택성이 낮아집니다. E0 = − 0.83 V(NHE 대비)의 수용액에서 물의 전기화학적 환원이 시작되고(5), 그 비율은 음극 전위가 증가함에 따라 증가하여 음극 전위 값을 − 1.0… − 1.3 V로 제한합니다. 또한 수용액에 대한 CO2의 용해도가 낮아 농도 분극이 발생합니다.

주로 이온성 액체7,8,9 및 유기 비양성자성 용매10,11,12,13,14,15,16 등의 비수성 매질에서 CO2의 전기화학적 환원을 통해 앞서 언급한 수용액의 단점을 제거하거나 줄일 수 있습니다. 물이 없으면 CO2는 옥살산염 음이온(6, 7)과 CO(8)12,17로 변환됩니다. 따라서 이들은 유기 비양자성 용매 환경의 주요 제품입니다. 더욱이, 높은 전기화학적 안정성으로 인해 최대 -3.5V의 음극 전위에서도 부반응 없이 CO2를 감소시키는 것이 가능합니다18,19,20. 또한, 유기 비양성자성 용매에서 CO2의 용해도는 물에 대한 용해도보다 10배 더 큽니다. 이는 최대 80mA cm−2의 높은 아이캐소드 값과 최대 80%12의 패러데이 효율(FE)을 달성합니다.

CO2의 전기화학적 환원은 촉매 과정이므로 수용액3,4,5,21,22,23 및 유기 비양성자성 용매18의 전환 속도는 음극 표면 및 구조의 특성에 따라 달라집니다.

최근 몇 년 동안 CO2 변환의 전기화학적 공정과 이에 따른 제품 수율에 대한 전극 지형 영향에 대한 관심이 높아졌습니다. 이와 관련하여 가장 많이 연구된 것은 구리 음극이며, 그 중 높은 표면 거칠기24,25,26,27, 폼형 구조27, 다공성 3D 뼈대(스펀지)28 및 수지상 형성29을 통해 높은 효율성을 나타냅니다.

레이저 처리는 촉매 활성 CO2 환원 전극을 위해 고도로 발달된 표면을 형성하는 가장 유망한 최신 방법 중 하나입니다. 레이저 처리는 반도체31,32, 금속33,34,35, 유전체36 및 폴리머 표면에 미세 구조를 유도하는 효율적인 기술로 입증되었습니다. 얼마 전 높은 규칙성으로 알려진 레이저 유도 주기 표면 구조(LIPSS) 기술은 나노미터 균일성을 달성하는 능력과 산업 생산 속도를 갖춘 단일 단계, 마스크 없는 공정으로 인해 상당한 발전을 이루었습니다. 많은 연구에서 홀로그램39, 표면 강화 라만 분광법(SERS)40, 마찰학41, 센서42, ​​플라즈몬학43 및 기타44,45와 같은 LIPSS의 다양한 응용을 선보였습니다. 다양한 매개변수를 미세하게 조정함으로써 초단 레이저 펄스를 사용하면 복잡한 구성의 광범위한 미세구조를 생성할 수 있습니다. 레이저 펄스 수를 변경하고 레이저 플루언스를 조정하면 육각형, 홈 및 스파이크가 생성될 수 있습니다. 이 접근 방식은 초단 레이저의 비교할 수 없는 다양성을 입증하여 거의 모든 제조 공정에 적용할 수 있습니다. 또한 이 단일 단계 프로세스에는 진공 또는 기타 복잡한 설정이 필요하지 않습니다.