Spektroelektrochemie - Spectroelectrochemistry

Spektroskopické a elektrochemické techniky, které tvoří spektroelektrochemii

Spektroelektrochemie (SEC) je sada analytických technik s více odezvami, ve kterých doplňující chemické informace (elektrochemické a spektroskopické ) se získá v jediném experimentu. Spektroelektrochemie poskytuje celou vizi jevů, ke kterým dochází v procesu elektrod.[1][2][3][4][5] První spektroelektrochemický experiment provedla Kuwana v roce 1964.[6]

Hlavním cílem spektroelektrochemických experimentů je získat simultánní, časově rozlišené a in-situ elektrochemické a spektroskopické informace o reakcích probíhajících na povrchu elektrody.[1] Základem této techniky je studium interakce paprsku elektromagnetická radiace se sloučeninami zapojenými do těchto reakcí. Změny optického a elektrického signálu nám umožňují porozumět vývoji elektrodového procesu.

Techniky, na nichž je založena spektroelektrochemie, jsou:

  • Elektrochemie, který studuje interakci mezi elektrickou energií a chemickými změnami. Tato technika nám umožňuje analyzovat reakce, které zahrnují procesy přenosu elektronů (redox reakce).[7]

Spektroelektrochemie poskytuje molekulární, termodynamické a kinetický informace o činidlech, produktech a / nebo meziproduktech zapojených do procesu elektronového přenosu.[1][2][3][4][5]

Klasifikace spektroelektrochemických technik

Existují různé spektroelektrochemické techniky na základě kombinace spektroskopických a elektrochemických technik. Pokud jde o elektrochemii, nejběžnější používané techniky jsou:

  • Chronoamperometrie, který měří intenzitu proudu jako funkci času aplikací konstantního rozdílu potenciálu na pracovní elektrodu.
  • Chronopotentiometrie, který měří rozdíl potenciálu jako funkci času aplikací konstantního proudu.
  • Voltametrie, který měří změnu proudu jako funkci lineární změny potenciálu pracovní elektrody.
  • Pulzní techniky, které měří změnu proudu jako funkci rozdílu potenciálu, aplikují pulzní potenciální funkce na pracovní elektrodu.

Obecná klasifikace spektroelektrochemických technik je založena na zvolené spektroskopické technice.

Ultrafialově viditelná absorpční spektroelektrochemie

Ultrafialově viditelná absorpce (UV-Vis) spektroelektrochemie je technika, která studuje absorpci elektromagnetická radiace v UV-Vis oblastech spektra, poskytující molekulární informace související s elektronickými hladinami molekul.[10] Poskytuje kvalitativní i kvantitativní informace. Spektroelektrochemie UV-Vis pomáhá charakterizovat sloučeniny a materiály, určuje koncentrace a různé parametry, jako jsou koeficienty absorpce, difúzní koeficienty, formální potenciály nebo rychlosti přenosu elektronů.[11][12]

Fotoluminiscenční spektroelektrochemie

Fotoluminiscence (PL) je jev související se schopností některých sloučenin, které po absorpci specifické elektromagnetická radiace, uvolněte se do stavu nižší energie prostřednictvím emise fotony. Tato spektroelektrochemická technika je omezena na ty sloučeniny s fluorescenční nebo světélkující vlastnosti. Pokusy jsou silně rušeny okolní světlo.[1] Tato technika poskytuje skvělé strukturální a kvantitativní informace detekční limity.[8]

Infračervená spektroelektrochemie

Infračervená spektroskopie je založen na skutečnosti, že molekuly absorbují elektromagnetická radiace při charakteristických frekvencích souvisejících s jejich vibrační strukturou. Infračervený (IR) spektroelektrochemie je technika, která umožňuje charakterizaci molekul na základě odolnosti, tuhosti a počtu přítomných vazeb. Detekuje také přítomnost sloučenin, určuje koncentraci druhů během reakce, strukturu sloučenin, vlastnosti chemických vazeb atd.[10]

Ramanova spektroelektrochemie

Ramanova spektroelektrochemie je založen na nepružný rozptyl nebo Ramanův rozptyl z jednobarevné světlo když udeří na konkrétní molekulu, poskytuje informace o vibrační energii dané molekuly. Ramanovo spektrum poskytuje vysoce specifické informace o struktuře a složení molekul, jako je jejich skutečný otisk.[1]

Rentgenová spektroelektrochemie

Rentgenová spektroelektrochemie je technika, která studuje interakci vysokoenergetického záření s hmotou během procesu elektrod. Rentgenové záření může pocházet z absorpčních, emisních nebo rozptylových jevů, což umožňuje provádět jak kvantitativní, tak kvalitativní analýzu v závislosti na probíhajícím jevu.[8][9][10] Všechny tyto procesy zahrnují elektronické přechody ve vnitřních vrstvách zúčastněných atomů. Zejména je zajímavé studovat procesy záření, vstřebávání a emise které probíhají během reakce přenosu elektronů. V těchto procesech může dojít k podpoře nebo relaxaci elektronu mezi vnějším obalem a vnitřním obalem atomu.

Spektroelektrochemie nukleární magnetické rezonance

Jaderná magnetická rezonance (NMR) je technika používaná k získávání fyzikálních, chemických, elektronických a strukturních informací o molekulách v důsledku chemického posunu rezonančních frekvencí jader točí se ve vzorku. Jeho kombinace s elektrochemickými technikami může poskytnout podrobné a kvantitativní informace o funkčních skupinách, topologii, dynamice a trojrozměrné struktuře molekul v roztoku během procesu přenosu náboje. Oblast pod NMR pík souvisí s poměrem počtu zapojených závitů a píku integrálů k určení složení kvantitativně.

Elektronová paramagnetická rezonanční spektroelektrochemie

Elektronová paramagnetická rezonance (EPR) je technika, která umožňuje detekci volné radikály vytvořené v chemických nebo biologických systémech. Kromě toho studuje symetrii a elektronická distribuce z paramagnetické ionty. Jedná se o vysoce specifickou techniku, protože magnetické parametry jsou charakteristické pro každý iont nebo volné radikály.[13] Fyzikální principy této techniky jsou obdobné jako u NMR, ale v případě EPR, elektronická otočení jsou vzrušena místo jaderných, což je zajímavé u určitých elektrodových reakcí.

Sítotisková elektroda s některými různými typy měření SEC (absorpce, emise, Ramanův rozptyl). Obrázek ukazuje soustavu tří elektrod: centrální kotouč, odpovídající pracovní elektrodě; půlkruh s největším obloukem, který odpovídá pomocné nebo protielektrodě; a půlkruh s nejmenším obloukem, referenční elektroda.

Výhody a aplikace

Všestrannost spektroelektrochemie se zvyšuje díky možnosti použití několika elektrochemické techniky v různých spektrálních oblastech v závislosti na účelu studie a informacích, které nás zajímají.[12]

Hlavní výhody spektroelektrochemických technik jsou:

  • Simultánní informace se získávají různými technikami v jediném experimentu, což zvyšuje selektivitu a citlivost.
  • Lze získat kvalitativní i kvantitativní informace.
  • Možnost práce s malým množstvím vzorku a jeho uložení pro budoucí analýzu.[1]

Vzhledem k vysoké univerzálnosti techniky je oblast použití značně široká.[1][2][3][4][5][14]

  • Charakterizace organických a anorganických materiálů, které umožňují porozumět struktuře a vlastnostem materiálu, když je narušen signálem (elektrický, světelný atd.).
  • Vývoj spektroelektrochemických senzorů, které jsou založeny na optických a elektrických reakcích, schopných poskytovat dva nezávislé signály o stejném vzorku a nabízet samy ověřené stanovení.
  • Studujte různé procesy a molekuly v biotechnologii, biochemii nebo medicíně.
  • Určete specifické vlastnosti a vlastnosti nových materiálů v oblastech, jako je energie nebo nanotechnologie.

Reference

  1. ^ A b C d E F G Garoz-Ruiz, Ježíši; Perales-Rondon, Juan Victor; Heras, Aranzazu; Colina, Alvaro (5. dubna 2019). „Spectroelectrochemical Sensing: Current Trends and Challenges“. Elektroanalýza. 31 (7): 1254–1278. doi:10.1002 / elan.201900075.
  2. ^ A b C Keyes, Tia E .; Forster, Robert J. (2007). Příručka elektrochemie (1. vyd.). Amsterdam, Nizozemsko: Elsevier. ISBN  9780444519580.
  3. ^ A b C Kaim, Wolfgang; Fiedler, Jan (2009). „Spectroelectrochemistry: the best of two worlds“. Recenze chemické společnosti. 38 (12): 3373–3382. doi:10.1039 / b504286k. PMID  20449056.
  4. ^ A b C Lozeman, Jasper J. A .; Führer, Pascal; Olthuis, Wouter; Odijk, Mathieu (2020). „Spektroelektrochemie, budoucnost vizualizace elektrodových procesů dělením elektrochemie spektroskopickými technikami“. Analytik. 145 (7): 2482–2509. Bibcode:2020Ana ... 145.2482L. doi:10.1039 / c9an02105a. PMID  31998878.
  5. ^ A b C Zhai, Yanling; Zhu, Zhijun; Zhou, Susan; Zhu, Chengzhou; Dong, Shaojun (2018). "Nedávný pokrok ve spektroelektrochemii". Nanoměřítko. 10 (7): 3089–3111. doi:10.1039 / c7nr07803j. PMID  29379916.
  6. ^ Kuwana, Theodore .; Darlington, R. K.; Leedy, D. W. (září 1964). „Elektrochemické studie používající vodivé skleněné indikační elektrody“. Analytická chemie. 36 (10): 2023–2025. doi:10.1021 / ac60216a003.
  7. ^ Elgrishi, Noémie; Rountree, Kelley J .; McCarthy, Brian D .; Rountree, Eric S .; Eisenhart, Thomas T .; Dempsey, Jillian L. (3. listopadu 2017). „Praktický průvodce cyklickou voltametrií pro začátečníky“. Journal of Chemical Education. 95 (2): 197–206. doi:10.1021 / acs.jchemed.7b00361.
  8. ^ A b C Braun, Robert D. (2006). Úvod do instrumentální analýzy (5. vydání). New York, USA: W.H. Freeman & Co Ltd. ISBN  978-8188449156.
  9. ^ A b Skoog, Douglas; Holler, James F; Crouch, Stanley (2001). Principios de análisis instrumentální (6. vyd.). México: Výuka CENCAGE. 481–498. ISBN  9788578110796.
  10. ^ A b C Atkins, Peter Jones L. (2010). Chemical Principles: The Quest for Insight (5. vydání). New York, USA: W H Freeman & Co Ltd. ISBN  978-1429209656.
  11. ^ Garoz-Ruiz, Ježíši; Perales-Rondon, Juan V .; Heras, Aranzazu; Colina, Alvaro (3. května 2019). "Spektroelektrochemie kvantových teček". Israel Journal of Chemistry. 59 (8): 679–694. doi:10.1002 / ijch.201900028.
  12. ^ A b Ibañez, David; Garoz-Ruiz, Ježíš; Heras, Aranzazu; Colina, Alvaro (28. července 2016). „Simultánní UV – viditelná absorpce a Ramanova spektroelektrochemie“. Analytická chemie. 88 (16): 8210–8217. doi:10.1021 / acs.analchem.6b02008. hdl:10259/4945. PMID  27427898.
  13. ^ Brudtvig, Gary W. (1995). "Elektronová paramagnetická rezonanční spektroskopie". Metody enzymologie. 246 (C): 536–554. doi:10.1016/0076-6879(95)46024-1. PMID  7752937.
  14. ^ Mortimer, R.J. (2016). Encyklopedie spektroskopie a spektrometrie (3. vyd.). Elsevier. ISBN  9780128032244.