Se presenta un protocolo de análisis de electroquímicas Raman e IR paso a paso.
En el trabajo presentado, se discuten dos técnicas electroquímicas como herramientas para el análisis de los cambios estructurales que se producen en la molécula en el nivel vibracional de la energía. Raman y IR spectroelectrochemistry pueden utilizarse para la caracterización avanzada de los cambios estructurales en los compuestos orgánicos electroactivos. Aquí, se muestra el análisis paso a paso mediante Raman e IR spectroelectrochemistry. Raman y técnicas electroquímicas de IR proporcionan información complementaria sobre los cambios estructurales que ocurren durante un proceso electroquímico, es decir, permite la investigación de procesos redox y sus productos. Se presentan ejemplos de análisis electroquímicas IR y Raman, en el cual se identifican los productos de las reacciones redox, tanto en solución como en estado sólido.
La combinación de técnicas electroquímicas y espectroscópicas permite la posibilidad de seguimiento de los cambios estructurales en las moléculas presentes en la superficie del electrodo o en la solución, por lo tanto investigar el mecanismo de los procesos electroquímicos. Electroquímicas de métodos se utilizan típicamente para el estudio en situ del mecanismo de la reacción. La ventaja indudable sobre medidas ex situ es la posibilidad de observar la señal que se presenta para los productos intermedios de procesos o investigación de los procesos, en el que los productos no pueden ser separados por1. Entre todos espectroscopías, el Raman y espectroscopías infrarrojas son las más poderosas para el análisis de procesos electroquímicos, debido a la disponibilidad de equipo y la naturaleza a menudo no-destructiva de las mediciones.
Infrarrojo y espectroscopias Raman proporcionan información sobre la estructura vibracional de la especie y así los enlaces químicos existentes. Puesto que la naturaleza de las señales observadas en ambas técnicas es diferente, algunas vibraciones pueden ser activas solamente en los espectros IR o Raman, haciéndolos complementarios a2. Esto debe tenerse en cuenta, al planificar análisis electroquímicas y, si es posible, la estructura vibracional de un analito debe ser examinada mediante espectroscopías IR y Raman. Los mejores resultados se obtienen cuando los cambios en la estructura son el resultado del proceso electroquímico activa en la técnica de cierta grupos. Por ejemplo, la espectroscopia infrarroja es ideal para procesos de -CO, – CN-NO o de la formación o rotura de los grupos -NH3. Siempre es aconsejable registrar espectros diferenciales de la investigación de electroquímicas. Tales espectros revelen también, cambios en las señales de baja intensidad que permite el seguimiento de los cambios en la estructura de los sistemas aromáticos. Además, los espectros diferenciales son siempre menos complejos como sólo los cambios se registran, que facilita la interpretación de los espectros mucho.
Experimentos de electroquímicas de IR se utilizan principalmente para el control de los productos solubles, productos intermedios y reactivos de las reacciones electroquímicas; tales pruebas se pueden ejecutar en varios sistemas, incluidos los orgánicos, inorgánicos o sistemas bioquímicos3,4,5,6,7,8. Siempre hay que recordar que en el caso de la espectroscopia IR, solventes en cual hidrógeno vinculación se produce, como el agua, deben evitarse.
Hay varias maneras de proceder con las mediciones de IR y Raman. En el caso de la espectroscopia IR, las mediciones se pueden hacer en el modo de transmisión, en el que se pueden utilizar cubetas convencionales de IR para líquidos. Los electrodos ópticamente transparentes (por ejemplo, electrodos de diamante dopados con boro) o perforados electrodos (electrodo de trabajo de metal gasa) de metal fineza (Pt o Au) se utilizan generalmente como los electrodos de trabajo en dicha transmisión células4, 9. En la figura 1se presenta un ejemplo de la celda electroquímicas de transmisión.
En la segunda técnica, en lugar de transmisión, se aplica el modo de reflexión, gracias al accesorio de ATR (reflexión Total atenuada)10. Este método permite analizar soluciones y materiales de estado sólidos. Normalmente cuando utiliza el método de espectroscopía de absorción por reflexión externa, en principio, puede utilizarse cualquier electrodo de trabajo, pero especies disueltas sólo pueden ser investigadas. Sin embargo, en algunos casos, la técnica ATR permite también la investigación de procesos en estado sólido, usando el método de reflexión interna5,8. Una celda especial se requiere para esta técnica, en la que el metal fino que escupió en el cristal ATR actúa como un electrodo de trabajo (figura 2). En algunos casos, incluso el cristal de Ge de ATR sí mismo puede actuar como un electrodo (al menos para corrientes no demasiado altas)5.
La segunda técnica es Raman spectroelectrochemistry; una técnica que combina la electroquímica y la espectroscopia de Raman, utilizados en la investigación de los cambios estructurales inducidos potencialmente en la capa depositada de polímeros conjugados11, como polianilina12, polypyrroles 13, polycarbazole14 o15de PEDOT. Adicionalmente a las películas poliméricas, monocapas pueden también probado19,20,21, aunque en este caso se prefieren sustratos metálicos, como oro o platino. El procedimiento de los estudios de electroquímicas de Raman es analógico a otras técnicas electroquímicas, es decir, un espectrómetro debe acoplarse con un potenciostato y los espectros de la película son adquiridos en las condiciones de potentiostatic varios potenciales aplicadas18. Por lo general, se puede construir la celda de tres electrodos electroquímicas basadas en la cubeta de cuarzo clásico con electrodos montados en un soporte de teflón (figura 3). Los parámetros de adquisición, como el tipo de láser, la reja, etcetera., dependen de las propiedades de la capa investigada. Selección de algunos parámetros puede ser bastante difícil, por ejemplo, uno tiene que recordar que diferentes longitudes de onda de excitación pueden resultar en diferentes espectros. Generalmente, la mayor energía de la luz incidente más detalles son visibles en el espectro, pero también el mayor riesgo de fenómenos de fluorescencia que dificulta el análisis. En general, es muy útil obtener los espectros UV-Vis-NIR del analito al principio, con el fin de seleccionar a la Raman laser de la excitación. Los láseres sintonizables pueden ajustarse para que la longitud de onda de excitación induce la coincidencia con una transición electrónica de la molécula, dando por resultado la resonancia Raman dispersión. En este caso, se observa la creciente intensidad de dispersión Raman en regiones solicitadas de los espectros o incluso la formación de nuevas señales de que no se registrarían normalmente. El análisis de los cambios estructurales consiste en la asignación de grabado Raman bandas, que se puede hacer basado en los datos de la literatura o DFT simulaciones23.
IR y Raman técnicas se recomiendan para la investigación de los cambios estructurales que ocurren debajo de potencial aplicada y para la investigación de los productos de la reacción redox. Sin embargo, desde el punto de vista práctico, Espectroscopía Raman es más práctico como herramienta analítica en tales experimentos. Spectroelectrochemistry Raman da más posibilidades, como puede también ser aplicado a las muestras con los enlaces no polares. Se ha por lo tanto, utilizado con éxito para la investigación de materiales de carbono, polímeros, baterías, etcetera. 29 , 30 , 31 , 32 , 33 ya que mide la luz dispersada substancialmente en la espectroscopia de Raman, generalmente no hay límites en el material del electrodo de trabajo o construcción. Además, como se utiliza aquí, luz incidente (UV-Vis-NIR) se absorbe mal por el vidrio, que permite el uso de una célula electroquímica estándar. La gran ventaja es también la posibilidad de llevar a cabo mediciones fuera del espectrómetro a través de fibra óptica. Para registrar un espectro de Raman, la luz incidente debe concentrarse adecuadamente en la muestra. Enfocando el haz de luz en diferentes lugares de la célula de medición, se puede decidir si los cambios en la composición química que ocurre en la solución, por ejemplo. se siguen cerca del electrodo o en las especies adsorbidas en la superficie del electrodo.
También permite que el uso de la espectroscopia de Raman con una resolución adecuada para el estudio del perfil de las muestras sólidas, ya sea en la superficie o en sus profundidades, también en las estructuras de múltiples capas. 34 , 35 , 36 , 37 uno puede, por lo tanto, obtener información sobre la topografía de la superficie, la distribución de diferentes especies químicas en la superficie o sección. Spectroelectrochemistry Raman permite en situ seguimiento de los cambios de estas características durante procesos redox y así estimar la calidad de las capas individuales, la durabilidad del sistema durante varios ciclos de oxidación/reducción, o estudio de la difusión en estructuras multicapas. La versatilidad de Raman spectroelectrochemistry miente en el hecho de que puede ser utilizado para analizar tanto los procesos electroquímicos en una solución o estado sólido en una típica celda experimental o incluso probar múltiples estructuras sólidas como LEDs, pilas, VPL, etcetera.
La desventaja indudable de la espectroscopia de Raman y, así también spectroelectrochemistry, es su limitación debido a la fluorescencia observada, que a menudo hace imposible analizar el espectro. Este fenómeno puede ser en algunos casos eliminadas cambiando la longitud de onda de excitación o preliminar de iluminación – foto-blanqueo.
The authors have nothing to disclose.
La investigación conduce a estos resultados ha recibido financiación del programa de investigación e innovación de horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el Convenio de subvención de Marie Skłodowska-Curie No 674990 (EXCILIGHT). Agradecemos a la red acción financiada con cargo a programa de investigación e innovación de horizonte 2020 de la Unión Europea bajo concesión acuerdo No 691684.
Potentiostat | Metrohm | Autolab PGSTAT100 | |
Raman microscope | Renishaw | inVia | |
FT-IR Spectrometer | PerkinElmer | Spectrum Two | |
Bu4NBF4 | Sigma-Aldrich | 86896 | |
DCM | Sigma-Aldrich | 443484 | |
Isopropanol | Sigma-Aldrich | 675431 | |
Acetone | Sigma-Aldrich | 439126 |