提出了一种分步拉曼和红外光谱电化学分析的协议。
在介绍的工作中, 将两种光谱电化学技术作为分析分子在能量振动水平上发生结构变化的工具。拉曼和 IR 光谱电化学可用于对有机电活性化合物的结构变化进行高级表征。在这里, 显示了通过拉曼和 IR 光谱电化学的分步分析。拉曼和 IR 光谱电化学技术提供了有关电化学过程中发生的结构变化的补充信息,即允许对氧化还原过程及其产品进行调查。介绍了红外和拉曼光谱光谱电化学分析的实例, 确定了溶液和固体状态下氧化还原反应的产物。
电化学和光谱技术相结合, 可以跟踪在电极表面或溶液中存在的分子结构变化, 从而研究电化学过程的机理。光谱电化学方法通常用于原位研究反应机理。毋庸置疑的优势超过了原位测量的可能性, 观察信号的过程中的中间产品或调查的过程中, 产品不能分离1。在所有波谱中, 拉曼和红外波谱是最强大的分析电化学过程由于设备可用性和通常无损的性质的测量。
红外和拉曼波谱提供了有关该物种的振动结构和现有的化学键的信息。由于两种技术中观察到的信号的性质不同, 某些振动只能在 IR 或拉曼光谱中激活, 使它们相互补充2。在规划光谱电化学分析时应考虑到这一点, 如果可能的话, 应使用 IR 和拉曼波谱检查被测物的振动结构。当结构发生变化时, 在一定的技术中有活性基团的电化学过程的结果, 得到最佳的结果。例如, 红外光谱非常适合于涉及 CO、CN 或-NH 组的形成或破损的过程3。通常建议注册光谱电化学调查的差分光谱。此外, 这种光谱揭示了信号的变化强度较低, 允许跟踪芳香系统结构的变化。此外, 由于只有更改被注册, 差分光谱总是不太复杂, 这使得对光谱的解释变得容易得多。
红外光谱电化学实验主要用于对电化学反应的可溶性产物、中间体和反应物进行监测;此类测试可在各种系统上运行, 包括有机、无机或生化系统3、4、5、6、7、8。人们应该永远记住, 在红外光谱的情况下, 应避免氢结合发生的溶剂, 如水。
有几种方法可以继续进行 IR 和拉曼测量。在红外光谱的情况下, 可以在传输模式下进行测量, 在这种方式下, 可以使用传统的液体红外比色皿。由精细金属 (Pt 或 Au) 制成的光学透明电极 (例如,硼掺杂的金刚石电极) 或穿孔电极 (金属纱布工作电极) 通常用作此类传输单元4中的工作电极, 9。图 1给出了传输光谱电化学单元的一个示例。
在第二种技术中, 由于 ATR (衰减的全反射) 附件10, 而不是传输, 反射模式被应用。此方法允许分析解决方案和固态材料。通常使用外部反射吸收光谱法时, 原则上可以使用任何工作电极, 但只能研究溶解的物种。但是, 在某些情况下, ATR 技术还允许使用内部反射方法5、8在固态状态下对过程进行调查。这种技术需要一个特殊的电池, 在其中, ATR 晶体上的精细金属溅射作用于工作电极 (图 2)。在某些情况下, 即使 ATR Ge 晶体本身也可以充当电极 (至少对于不太高电流)5。
第二种技术是拉曼光谱电化学;一种结合电化学和拉曼光谱的技术, 通常用于研究共轭聚合物沉积层中潜在诱发的结构变化11, 如聚苯胺12, polypyrroles13, polycarbazole14或 PEDOT15。此外, 对于聚合物薄膜, 还可以测试19、20、21的单层膜, 但在这种情况下, 金属基板 (如金或铂) 是首选的。拉曼光谱电化学研究的过程与其他光谱电化学技术类比,即光谱仪必须与恒电位仪耦合, 并在恒电位条件下获得薄膜的光谱。在不同电位下应用18。通常情况下, 三电极光谱电化学电池可基于经典石英试管进行构造, 电极安装在聚四氟乙烯支架上 (图 3)。采集参数, 如激光的类型、光栅等, 取决于所研究的层的性质。选择一些参数可能相当困难,例如,人们必须记住, 不同的激发波长会产生不同的光谱。通常情况下, 入射光的能量越高, 频谱上就能看到更多的细节, 同时也会有更高的荧光现象的风险来阻碍分析。通常, 首先获得分析物的紫外-近红外光谱是非常有用的, 以选择拉曼激发激光器。可以调整可调谐激光器, 使激发波长与分子的电子转换产生重合, 从而导致共振拉曼散射。在这种情况下, 观察到光谱的选定区域或甚至形成新信号的拉曼散射强度的增加, 通常不会进行注册。结构变化的分析包括记录拉曼波段的分配, 可以根据文献数据或 DFT 模拟23进行。
推荐使用 IR 和拉曼光谱技术对应用电位下发生的结构变化进行调查, 并对氧化还原反应产物进行研究。然而, 从实际的角度来看, 拉曼光谱在这类实验中是更加得心应手的分析工具。拉曼光谱电化学提供了更多的可能性, 因为它也可以应用于非极性键的样品。因此, 它已成功地用于研究碳材料、聚合物、电池等. 29,30,31,32,33由于散射光在拉曼光谱中有很大的测量, 在工作电极材料或结构中通常没有限制。此外, 如本文所使用的, 入射光 (紫外可见光) 被玻璃吸收得很差, 这允许使用标准的电化学电池。最大的优势还在于通过光纤在光谱仪外进行测量的可能性。为了注册拉曼光谱, 入射光需要正确地聚焦在样品上。通过将光束聚焦在测量单元的不同位置, 可以决定溶液中化学成分的变化,例如:在电极附近, 或在被吸附在电极表面的物种。
使用拉曼光谱与适当的分辨率也允许研究固体样品的轮廓, 无论是在表面上或在其深度, 也在多层结构。34,35,36,37因此, 人们可以获得有关地表形貌、不同化学物种在地表或横断面上分布的信息。拉曼光谱电化学允许原位跟踪氧化还原过程中所有这些特性的变化, 从而评估各个层的质量、在多个氧化/还原循环期间系统的耐久性, 或研究多层结构中的扩散。拉曼光谱电化学的多功能性在于, 它可以用于检查溶液中的电化学过程或典型实验单元中的固体状态, 甚至测试 led、电池、OPVs 等多层固体结构, 等。
拉曼光谱的不容置疑的缺点, 因此也光谱电化学, 是它的局限性, 由于观察荧光, 这往往使它不可能分析频谱。这种现象可以在某些情况下通过改变激发波长或初步照明-光漂白消除。
The authors have nothing to disclose.
导致这些结果的研究从欧洲联盟的2020地平线研究和创新计划获得了资金, 该方案根据《玛丽居里夫人-居里夫人赠款协议》 674990 (EXCILIGHT)。我们感谢由欧洲联盟2020号地平线研究和创新方案资助的网络行动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 |