Спектроэлектрохимия
Спектроэлектрохимия ( SEC ) — это набор многофакторных аналитических методов, в которых дополнительная химическая информация ( электрохимическая и спектроскопическая ) получается в одном эксперименте. Спектроэлектрохимия дает целостное представление о явлениях, происходящих в электродном процессе. [1] [2] [3] [4] [5] Первый спектроэлектрохимический эксперимент был проведен доктором философии Теодором Куваной в 1964 году. [6]
Основная цель спектроэлектрохимических экспериментов - получение одновременной, временной и in-situ электрохимической и спектроскопической информации о реакциях, происходящих на поверхности электрода. [1] В основе метода лежит изучение взаимодействия пучка электромагнитного излучения с соединениями, участвующими в этих реакциях. Изменения оптического и электрического сигнала позволяют понять эволюцию электродного процесса.
Методы, на которых основана спектроэлектрохимия:
- Электрохимия , изучающая взаимодействие между электрической энергией и химическими изменениями. Этот метод позволяет анализировать реакции, включающие процессы переноса электрона ( окислительно-восстановительные реакции). [7]
- Спектроскопия , изучающая взаимодействие электромагнитного излучения с веществом (поглощение, дисперсия или излучение). [8] [9]
Спектроэлектрохимия предоставляет молекулярную, термодинамическую и кинетическую информацию о реагентах, продуктах и/или промежуточных соединениях, участвующих в процессе переноса электрона. [1] [2] [3] [4] [5]
Классификация спектроэлектрохимических методов [ править ]
Существуют различные спектроэлектрохимические методы, основанные на сочетании спектроскопических и электрохимических методов. Что касается электрохимии, наиболее распространенными методами являются:
- Хроноамперометрия , которая измеряет силу тока как функцию времени путем приложения постоянной разности потенциалов к рабочему электроду.
- Хронопотенциометрия , которая измеряет разницу потенциалов как функцию времени путем подачи постоянного тока.
- Вольтамперометрия , которая измеряет изменение тока в зависимости от линейного изменения потенциала рабочего электрода.
- Импульсные методы , которые измеряют изменение тока в зависимости от разности потенциалов, применяя функции импульсного потенциала к рабочему электроду.
Общая классификация спектроэлектрохимических методов основана на выбранном методе спектроскопии.
Спектроэлектрохимия поглощения ультрафиолетового и видимого диапазона [ править ]
Ультрафиолетово-видимая ( УФ-видимая ) абсорбционная спектроэлектрохимия — это метод, изучающий поглощение электромагнитного излучения в УФ-видимой области спектра, предоставляющий молекулярную информацию, связанную с электронными уровнями молекул. [10] Он предоставляет как качественную, так и количественную информацию. Спектроэлектрохимия УФ-ВИД помогает охарактеризовать соединения и материалы, определить концентрации и различные параметры, такие как коэффициенты поглощения, коэффициенты диффузии, формальные потенциалы или скорости переноса электронов. [11] [12]
Фотолюминесцентная спектроэлектрохимия
Фотолюминесценция (ФЛ) — явление, связанное со способностью некоторых соединений после поглощения специфического электромагнитного излучения релаксировать в состояние с более низкой энергией посредством испускания фотонов . Этот спектроэлектрохимический метод ограничен соединениями с флуоресцентными или люминесцентными свойствами. Экспериментам сильно мешает окружающий свет . [1] Этот метод предоставляет структурную и количественную информацию с высокими пределами обнаружения . [8]
Инфракрасная спектроэлектрохимия [ править ]
Инфракрасная спектроскопия основана на том факте, что молекулы поглощают электромагнитное излучение на характерных частотах, связанных с их колебательной структурой. Инфракрасная (ИК) спектроэлектрохимия — это метод, который позволяет характеризовать молекулы на основе сопротивления, жесткости и количества присутствующих связей. Он также обнаруживает наличие соединений, определяет концентрацию частиц во время реакции, структуру соединений, свойства химических связей и т. д. [10]
Рамановская спектроэлектрохимия [ править ]
Рамановская спектроэлектрохимия основана на неупругом рассеянии или комбинационном рассеянии монохроматического света при попадании на определенную молекулу, предоставляя информацию о колебательной энергии этой молекулы. Спектр комбинационного рассеяния света предоставляет весьма конкретную информацию о структуре и составе молекул, например, их истинный отпечаток пальца. [1] Он широко использовался для изучения одностенных углеродных нанотрубок. [13] и графен. [14]
Рентгеновская спектроэлектрохимия [ править ]
Рентгеновская спектроэлектрохимия — это метод, изучающий взаимодействие излучения высокой энергии с веществом во время электродного процесса. Рентгеновские лучи могут вызывать явления поглощения, излучения или рассеяния, что позволяет проводить как количественный, так и качественный анализ в зависимости от происходящего явления. [8] [9] [10] Все эти процессы связаны с электронными переходами во внутренних слоях участвующих атомов. В частности, интересно изучить процессы излучения , поглощения и испускания , происходящие во время реакции переноса электрона. В этих процессах продвижение или релаксация электрона может происходить между внешней и внутренней оболочкой атома.
резонанса Спектроэлектрохимия магнитного ядерного
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — метод, используемый для получения физической, химической, электронной и структурной информации о молекулах за счет химического сдвига резонансных частот ядерных спинов в образце. Его сочетание с электрохимическими методами может предоставить подробную и количественную информацию о функциональных группах, топологии, динамике и трехмерной структуре молекул в растворе во время процесса переноса заряда. Площадь под пиком ЯМР связана с соотношением числа задействованных витков и интегралов пика для количественного определения состава.
парамагнитного Спектроэлектрохимия электронного резонанса
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) — метод, позволяющий обнаруживать свободные радикалы, образующиеся в химических или биологических системах. Кроме того, он изучает симметрию и электронное распределение парамагнитных ионов . Это весьма специфичный метод, поскольку магнитные параметры характерны для каждого иона или свободного радикала . [15] Физические принципы этого метода аналогичны принципам ЯМР , но в случае ЭПР вместо ядерных возбуждаются электронные спины, что интересно в некоторых электродных реакциях.
Преимущества и применение [ править ]
Универсальность спектроэлектрохимии возрастает за счет возможности использования нескольких электрохимических методик в разных спектральных областях в зависимости от цели исследования и интересующей информации. [12]
Основными преимуществами спектроэлектрохимических методов являются:
- Одновременная информация получается разными методами в одном эксперименте, что повышает селективность и чувствительность.
- Можно получить как качественную, так и количественную информацию.
- Возможность работы с небольшим количеством пробы, сохраняя ее для будущего анализа. [1]
Благодаря высокой универсальности метода область применения значительно широка. [1] [2] [3] [4] [5] [16]
- Изучение механизмов реакции , при котором можно наблюдать окисление и восстановление веществ, участвующих в реакции, а также образование промежуточных продуктов реакции .
- Характеристика органических и неорганических материалов, позволяющая понять структуру и свойства материала при воздействии сигнала (электрического, светового и т. д.).
- Разработка спектроэлектрохимических сенсоров, основанных на оптических и электрических откликах, способных выдавать два независимых сигнала об одном и том же образце и обеспечивать самопроверяемое определение.
- Исследование катализаторов , получение связей между электрохимическими и спектроскопическими свойствами и их фотохимическим и фотофизическим поведением.
- Изучите различные процессы и молекулы в биотехнологии, биохимии или медицине.
- Определить конкретные свойства и характеристики новых материалов в таких областях, как энергетика или нанотехнологии .
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г Гароз-Руис, Хесус; Пералес-Рондон, Хуан Виктор; Герас, Аранзасу; Колина, Альваро (5 апреля 2019 г.). «Спектроэлектрохимическое зондирование: современные тенденции и проблемы». Электроанализ . 31 (7): 1254–1278. дои : 10.1002/elan.201900075 . hdl : 10259/6122 . S2CID 133304199 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Киз, Тиа Э.; Форстер, Роберт Дж. (2007). Справочник по электрохимии (1-е изд.). Амстердам, Нидерланды: Elsevier. ISBN 9780444519580 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Каим, Вольфганг; Фидлер, Январь (2009). «Спектроэлектрохимия: лучшее из двух миров». Обзоры химического общества . 38 (12): 3373–3382. дои : 10.1039/b504286k . ПМИД 20449056 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Лоузман, Джаспер Дж.А.; фюрер Паскаль; Олтуис, Воутер; Одейк, Матье (2020). «Спектроэлектрохимия, будущее визуализации электродных процессов путем объединения электрохимии с помощью спектроскопических методов» . Аналитик . 145 (7): 2482–2509. Бибкод : 2020Ана...145.2482L . дои : 10.1039/c9an02105a . ПМИД 31998878 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Чжу, Чэнчжоу; наноэлектрохимии . в » Чжицзюнь ; , Последние Чжай « достижения области
- ^ Кувана, Теодор; Дарлингтон, РК; Лиди, Д.В. (сентябрь 1964 г.). «Электрохимические исследования с использованием проводящих стеклянных индикаторных электродов». Аналитическая химия . 36 (10): 2023–2025. дои : 10.1021/ac60216a003 .
- ^ Эльгриши, Ноэми; Раунтри, Келли Дж.; Маккарти, Брайан Д.; Раунтри, Эрик С.; Эйзенхарт, Томас Т.; Демпси, Джиллиан Л. (3 ноября 2017 г.). «Практическое руководство для начинающих по циклической вольтамперометрии» . Журнал химического образования . 95 (2): 197–206. doi : 10.1021/acs.jchemed.7b00361 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Браун, Роберт Д. (2006). Введение в инструментальный анализ (5-е изд.). Нью-Йорк, США: ISBN WH Freeman & Co Ltd. 978-8188449156 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Скуг, Дуглас; Холлер, Джеймс Ф; Крауч, Стэнли (2001). Принципы инструментального анализа (6-е изд.). Мексика: Обучение CENCAGE. стр. 481–498. ISBN 9788578110796 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Аткинс, Питер Джонс Л. (2010). Химические принципы: В поисках понимания (5-е изд.). Нью-Йорк, США: ISBN WH Freeman & Co Ltd. 978-1429209656 .
- ^ Гароз-Руис, Хесус; Пералес-Рондон, Хуан В.; Герас, Аранзасу; Колина, Альваро (3 мая 2019 г.). «Спектроэлектрохимия квантовых точек». Израильский химический журнал . 59 (8): 679–694. дои : 10.1002/ijch.201900028 . hdl : 10259/6123 . S2CID 155767924 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Ибаньес, Дэвид; Гарос-Руис, Хесус; Герас, Аранзасу; Колина, Альваро (28 июля 2016 г.). «Одновременное поглощение УФ-видимой области и рамановская спектроэлектрохимия». Аналитическая химия . 88 (16): 8210–8217. дои : 10.1021/acs.analchem.6b02008 . hdl : 10259/4945 . ПМИД 27427898 .
- ^ Кальбац, Мартин; Фархат, Хутан; Каван, Ладислав; Конг, Цзин; Сасаки, Кен-ичи; Сайто, Риитиро; Дрессельхаус, Милдред С. (2009). «Электрохимический заряд отдельных одностенных углеродных нанотрубок». АСУ Нано . 3 (8): 2320–2328. дои : 10.1021/nn9004318 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 19645423 .
- ^ Кальбац, Мартин; Рейна-Чекко, Альфонсо; Фархат, Хутан; Конг, Цзин; Каван, Ладислав; Дрессельхаус, Милдред С. (2010). «Влияние сильного электронного и дырочного легирования на интенсивность комбинационного рассеяния графена, полученного методом химического осаждения из паровой фазы». АСУ Нано . 4 (10): 6055–6063. дои : 10.1021/nn1010914 . ПМИД 20931995 .
- ^ Брудтвиг, Гэри В. (1995). Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса . Методы энзимологии. Том. 246. стр. 536–554. дои : 10.1016/0076-6879(95)46024-1 . ПМИД 7752937 .
- ^ Мортимер, Р.Дж. (2016). Энциклопедия спектроскопии и спектрометрии (3-е изд.). Эльзевир. ISBN 9780128032244 .
Отрасли химии | |
|---|---|
| Аналитический | |
| Теоретический | |
| Физический | |
| Неорганический | |
| Органический | |
| Биологический | |
| Междисциплинарность | |
| См. также | |
