Name: using cyclic voltammetry, uv-vis-nir, and epr spectroelectrochemistry to analyze organic compounds
Uploaded: 2018-10-18T12:30:00
Duration: 11 min 44 s
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Die Autoren dankbar anerkennen die finanzielle Unterstützung der "Excilight" Projekt "Donor-Akzeptor Light Emitting Exciplexes als Material für die Easy-Schneider Hocheffiziente OLED-Lightning" (H2020-MSCA-ITN-2015/674990) finanziert durch Marie Skłodowska-Curie Aktionen innerhalb des Rahmenprogramms für Forschung und Innovation "Horizon 2020".

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Elektrochemische und Spectroelectrochemical Techniken sind keine Grenzen gesetzt; Man kann solid-State und flüssigen Lösungen in einer Vielzahl von Temperatur und anderen Bedingungen mit diesen Techniken analysieren. Das wichtigste in all diesen Fällen ist, dass Verbindungen/Materialien unter der angewandten Potenzial, Replizieren von realen Bedingungen für organische Elektronikgeräte arbeiten analysiert werden. Der einzige Unterschied ist, dass in der Elektrochemie, die Bildung von Ladungsträgern, beobachtet.
Die hier vorgestellten Methoden zeigen den Nutzen der Analyse der geladenen Träger erzeugt in organischen Verbindungen, die mit ihrer Anwendbarkeit in der organischen Elektronik korrelieren. Darüber hinaus die elektrochemischen und Spectroelectrochemical Techniken sind billiger und weniger anspruchsvoll als die typischen Methoden kostenlos Träger Analyse verwendet, aber es gibt einige wichtige Schritte und Änderungen des Protokolls, die je nach Bedarf sind die erzielten Ergebnisse.
Während elektrochemische Charakterisierung beginnen Sie immer mit einer bestimmten Konzentration. Vergleicht man eine Reihe von Verbindungen, dann müssen alle Materialien die gleiche molare Konzentration. Das beste ist, mit zu beginnen 1 mM Konzentration und 50 mV/s Abtastrate, wie im Protokoll in dieser Studie angegeben, aber es ist gut zu wissen, die Konzentration der Probe auf das beobachtete elektrochemischen Verhalten. Immer versuchen Sie, mindestens drei Scans zu messen. Die ersten beiden Scans sind in der Regel anders, weil die Startbedingungen (Gleichgewicht) unterschiedlich sind. Die zweite und die dritte Scans sollten übereinstimmen. Wenn die zweite und dritte Scans identisch sind, dann gibt es wahrscheinlich keine Nebenreaktionen beobachtet in diesem System (Abbildung 2a). In einer Oxidation erscheint ein neuer Peak auf einem niedrigeren Potential zeigt, dass das leitfähige Material auf den WE18,19,24,25,29,30 hinterlegt wurde , 31 , 32. wenn die Höhe der unteren Spitze in aufeinander folgenden Scans erhöht, dann wahrscheinlich konjugierten Polymeren hinterlegten18,19,war24,25,29 , 30 , 31 , 32. wenn die Ströme in aufeinander folgenden Scans zu verringern, dann nichtleitendem Produkt der Abbau auf die Elektrode abgelagert wurde. Wenn eine sehr kleine Spitze vor den wichtigsten Oxidation oder Reduktion Peak (vor allem für Polymere) beobachtet wird, dann ist dies wahrscheinlich kostenlos-Trapping Prozess19,23,31,34. Wenn ein sehr scharfer dedoping Höhepunkt der Oxidation oder Reduktion beobachtet wird, ist dies wahrscheinlich durch die Zersetzung von kristallinen Strukturen auf eine Elektrode, gebildet durch den Electrocrystallization-Prozess während der Oxidation35verursacht.
Überprüfen Sie immer das Verhalten der Testverbindung vor, während und nach der Redox-Gipfel. Es bedeutet, dass mindestens drei CV Scans registriert werden soll: mit oberen (in dem Fall Oxidation) oder untere Scheitelpunkt Potenzial höher oder niedriger, bzw. das Potenzial der Peak Maximum, mit oberen oder unteren Scheitelpunkt Potenzial legen Sie dann auf genau am Peakmaximum und mit Scheitelpunkt Potenziale höher (Oxidation) und unteren (Reduktion) als Potenzial der maximalen Höhepunkt. Der beobachtete Prozess variieren und manchmal zwei Prozesse können theoretisch unter einem Höhepunkt beobachtet werden. Vergleichen Sie immer die gesammelten zyklische Voltammograms des Elektrolyten (Schritt 2,6), Ferrocen (Schritt 2,9), die Verbindung (Schritt 2.13) und Ferrocen mit Compound (Schritt 2.19); Es gibt mehrere Probleme berücksichtigt werden.
Vergleichen Sie immer die CV-Signale von der Elektrolyt und die Testverbindung, wenn keine Signale aus dem Elektrolyten auf die zyklischen Voltammogram der gemessenen Verbindung sichtbar ist, dann das Elektrolyt muss geändert werden, da seine elektrochemische Fenster zu niedrig ist oder die Elektrolyt ist verschmutzt. Wenn das Signal (Redox-Paar) von Ferrocen (Schritt 2,9) und Ferrocen mit Compound (Schritt 2.19) an der gleichen Position sind, ist dann alles richtig durchgeführt. Wenn die Gipfel zwischen einander verschoben werden, dann überprüfen Sie das Rück und wiederholen Sie die Messung. Wenn das Signal (Oxidation, Reduktion oder Redox-paar potentielle) der Testverbindung mit zusätzlichen Ferrocen (Schritt 2.19) auf ein höheres Potential als das reine compound (Schritt 2.13), dann überlegen die Werte (Oxidation, Reduktion oder Redox-paar potentielle) aus die zyklischen Voltammogram der reinen Substanz. Die Verschiebung wird durch den höheren Betrag von Ferrocen in der Lösung verursacht. Wenn zwei Oxidationsprozesse eingehalten werden, kann der erste Prozess (Oxidation oder Reduktion) ist immer auf die WE die aktive Oberfläche auswirken; Dadurch kann eine Zunahme in der Oxidationspotential des zweiten Prozesses (Abbildung 9).

Weltweit suchen Forscher ständig nach neuen organischen Materialien, die verwendet werden können, in der organischen Elektronik wünschenswert Leistung oder Stabilität, die aufgrund längerem Gebrauch fällt. Bei den Bio-Geräten ist es wichtig zu verstehen, das Verhalten der Ladungsträger vollständig die Regeln, die das Gerät Fahrverhalten kennen. Analyse der Wirkung von der molekularen Struktur auf die Generation der Ladungsträger und die Dynamik und Erhaltung des Gleichgewichts der injizierte Ladungsträger, sowohl positiv (Löcher) und negative (Elektronen), ist entscheidend für die Effizienz und Stabilität zu verbessern der Bio-Geräte. Dies sorgt für die effektive Rekombination dieser individuellen Gebühren und folglich verbessert deutlich die Photolumineszenz Effizienz der organische lichtemittierende Dioden (OLEDs)1,2. Für Organische Photovoltaik (OPV)3,4 , sowie Bio-Feld-Effekt Transistoren (OFETs)5,6ist es notwendig, um Materialien mit hohen Ladung Träger Mobilität haben. Neben der Analyse der Ladungsträger, mehrere wichtige Parameter der organischen Elektroaktive Materialien helfen, vorherzusagen, wo das Material verwendet werden könnten: Ionisation Potenzial (IP), Elektron-Affinität (EA)-Energieniveaus und Bandabstand zwischen ihnen7 ,8,9,10.
In dieser Arbeit präsentieren wir eine Methode für die effiziente Messung der zyklische Voltammetrie (CV), die in der Analyse aller Arten von Elektroaktive Materialien verwendet werden kann. Diese Technik bietet Informationen über Redox-Eigenschaften, doping/dedoping-Mechanismus, die Stabilität, die Umwandlung und Speicherung von Energie, etc.. Es ermöglicht auch für die Abschätzung des Elektrons Affinität und Ionisierung Energie der Testverbindungen gewissermaßen viel billiger und schneller im Vergleich zu anderen hohen Vakuum. Die oben genannten Parameter korrelieren mit den Energieniveaus des höchsten besetzten molekularen Orbital (HOMO) und niedrigsten unbesetzten molekularen Orbital (LUMO).
Die Methode in diesem Artikel vorgestellten kann verwendet werden, um alle Arten von konjugierte Verbindungen z. B. mit delokalisierte π-Elektronen in ihren Strukturen zu analysieren. Konjugierte Verbindungen möglicherweise kleine Moleküle mit großer polymerer Ketten. Kleine Moleküle können Monomere; während die erste Reaktion können (photochemische, elektrochemische oder chemische) Monomeren Polymere bilden. In OLED-Anwendung sind notwendig, das Energieniveau Werte ermöglichen die Verwendung von den korrekten Host für den Sender in eine thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF)-Gast-Host-System oder zu entscheiden, mit denen die Exciplex-Donor-Akzeptor-Schicht Verbindungen könnte sein gebildet und welche zusätzliche Schichten (Electron Transport Layer (ETL) Transport Layer (HTL), Elektron-Sperrschicht (EBL) und Loch Sperrschicht (HBL) Loch) synthetisieren stabilen effizient berechnet werden müssen ausgewogen OLED-Geräte11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17. zusätzliche elektrochemische Messungen ermöglichen die Untersuchung der möglichen Nebenwirkungen während der Prozess des Abbaus der aktiven Ebene und die Bildung von niedrigen Mobile Ladungsträger (bipolaron)18,19 ,20,21,22.
Elektrochemischen Kopplung und Spectroelectrochemical Methoden erlaubt einfache, genaue und zuverlässige Bestimmung des Grades der Oxidation oder Reduktion konjugierte Verbindungen und ihren Abbau Potenzial, das entscheidend für Stabilität23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28. ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten (UV-Vis-NIR) Spektroskopie gepaart mit Elektrochemie kann chromatische Grundeigenschaften aller neuen konjugierte Verbindungen, z. B. das Ändern der Absorptionsbande bei doping charakterisieren 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30.
In einer Studie, die im Zusammenhang mit der doping-Mechanismus ist es wichtig, die Art der Ladungsträger zu definieren. In diesem Prozess zwei Klassen von geladenen Quasiteilchen teilnehmen, eine mit unkompensierten Spin (Polaronen) und der zweite diamagnetisch (bipolaron); Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz (EPR)-Spektroskopie bietet unschätzbare Unterstützung, wodurch direkt zu beobachten und Nachverfolgen von Änderungen in den Bevölkerungen der paramagnetischen Polaronen29,30,31,32 . In kleine Moleküle es ist schwierig, Form bipolaron, aber diese Moleküle können ganz konjugiert und Bipolaron-induzierende Eigenschaften aufweisen; Es ist wichtig zu überprüfen, ob und an dem potenziellen Polaronen und bipolaron sind in der Struktur gebildet. Bipolaron sind mindestens einen Auftrag im Bereich der Mobilität unter dem Polaronen; Daher bipolaron in Arbeitsgeräte gebildet, könnte dann es zu einem unausgewogenen Verhältnis der Ladungsträger, führen die Hochstrom- und Überhitzung des OLED-Geräts führen würde oder möglicherweise auch die Zentren der Abbau33.
Die Methode der Messung in dieser Studie vorgeschlagenen ist billig und schneller und erlaubt die Bestimmung der wertvollsten operativen Parameter für eine große Anzahl von Elektroaktive Materialien ohne die Notwendigkeit für spezielle Geräte, die auf neu synthetisiert basieren Materialien, seine Leistung zu überprüfen. Durch die Anwendung der Elektrochemie und Spectroelectrochemistry, ist es möglich, ein Material auswählen, das wirklich vielversprechend aus Hunderten von neuen Materialien ist. Darüber hinaus ist es möglich, detaillierte Informationen über die Prozesse des Dopings zu erhalten und ihre Auswirkungen auf die chemische Struktur des Tests konjugiert mit elektrochemischen Systemen und Spectroelectrochemical Methoden, wodurch mehr bauen effiziente organische Elektronikgeräte.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Potentiostat</td>
			<td>Metrohm</td>
			<td>Autolab PGSTAT100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EPR</td>
			<td>JEOL</td>
			<td>JES-FA200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV-Vis detector</td>
			<td>Oceanoptics</td>
			<td>QE6500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIR detector</td>
			<td>Oceanoptics</td>
			<td>NIRQuest</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dichloromethane (DCM)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>106048</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrabutylammonium tetrafluoroborate (Bu4NBF4)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>86896</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-propanol, 99.9%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>675431</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone, 99.9%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>439126</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic Bath</td>
			<td>Elma</td>
			<td>S30H</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetrahydrofuran &#62;99.9%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>401757</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ferrocene &#62;98%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>F408</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>decamethylferrocene &#62;97%</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>378542</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using cyclic voltammetry, uv-vis-nir, and epr spectroelectrochemistry to analyze organic compounds

Zyklischer Voltammetrie (CV) ist eine Technik, die in der Analyse von organischen Verbindungen verwendet. Wenn diese Technik mit Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz (EPR) oder ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten (UV-Vis-NIR) Spectroscopies kombiniert wird, erhält man nützliche Informationen wie Elektron Affinität, Ionisation Potenzial, die Art der Bandlücke Energien Ladungsträger und Abbau-Informationen, die verwendet werden, um stabile organische elektronische Geräte zu synthetisieren. In dieser Studie stellen wir elektrochemische und Spectroelectrochemical Methoden für die Analyse der Prozesse, die in aktiven Schichten ein Bio-Gerät als auch die erzeugten Ladungsträger.

Die häufigste Anwendung der CV-Analyse ist die Schätzung von IP und EA. Obwohl es ein Paare Möglichkeiten gibt, CV-Daten zu erhalten, wird es dringend empfohlen, basierend auf den Beginn der Redox-Gipfel (Abbildung 3) zu berechnen. Dieser Ansatz ermöglicht es, das Berechnungsverfahren zu vereinheitlichen. Nicht alle der getesteten Materialien durchlaufen reversible Oxidation/Reduktion Prozesse (Abbildung 3); in solchen Situationen, es ist nicht möglich, auf der Grundlage im Durchschnitt berechnen Potentiale (Durchschnitt aus Potentialen entsprechen maximal kathodische Reduktion und anodische Oxidation Gipfel). Allerdings ist es fast immer möglich, die Tangente zu einer Spitze zu betreiben, wie in Abbildung 3dargestellt. An der Kreuzung mit der Hintergrund-Linie und die Verwendung der Gleichungen 1 und 2sind die IP und EA Werte geschätzt als 5,35 eV und −2.90 eV, beziehungsweise. Es gibt auch mehrere verschiedene Skalen verwendet, um IP- und EA basierend auf CV Messungen auszuwerten. Die am häufigsten verwendeten Skalen für organische Materialien −4.8 und −5.1 sind eV 0.00 V im Vergleich zu normalen Wasserstoff Elektrode (NHE) gleichgestellt. Allerdings sind alle von der Waage nur eine Näherung; Denken Sie daran, wenn Sie unterschiedliche Ergebnisse zu vergleichen. Entscheidend ist, anzugeben, welche Parameter für die Berechnung berücksichtigt wurden. In diesem Fall hat der Wert −5.1 eV wurde ausgewählt, da es die formale Potenzial des Ferrocen Redox-Paares entsprechen sollte; in der Fermi-Skala ist es 0.40 V gegenüber gesättigt Kalomel Elektrode (SCE) in Acetonitril, die im Einvernehmen mit der vorherigen Messung ist.
Es gibt viele Artikel über die Analyse der CV hierin veröffentlicht, wir zeigen, wenn der Prozess nicht geht, wie es erwartet wird. Die Analyse basiert auf Thiophen Ableitung: NtVTh (Struktur in Abbildung 4dargestellt), der erfährt Abbau bei der Oxidation (Abbildung 5).
NtVTh hat zwei Oxidation Potentiale: die erste bei 0,70 V und die zweite bei 0,84 V (Abbildung 5). Während des ersten Zyklus die Verringerung der Spitze wird nicht beobachtet, zeigt einen unumkehrbaren Prozess. Elektrochemische Eigenschaften der NtVTh zeigen, dass die Polymerisation tritt nicht auf, und nach der ersten Oxidationspotential einige Elektro-inaktive Schicht der Reaktionsprodukte Einlagen an der Elektrodenoberfläche, damit die Polymerisation zu behindern. Was sichtbar ist, ist die Reaktion mit dem radikalen kation auf der Vinyl-Bindung, wo das Molekül seine Konjugation und bilden Dimere auf der Elektrode verliert.
Es ist, zwar schwierig, Informationen über Ladungsträger aus dem Lebenslauf zu extrahieren ist es möglich, die Unterscheidung zwischen Polaronen und bipolaron Wenn Sie von einer UV-Vis-NIR-Spektrometer unterstützt. Die neutrale Poly (O-iPrThEE) zeichnete sich durch zwei breite Absorption π | π * Übergänge Bands mit Spitzen Maxima bei λmax1 = 363 nm und λmax2 = 488 nm, im Zusammenhang mit der aromatischen Form der Undotierte Polythiophen Ableitung. Während die oxidative Dotierung entstehen neue Polaronic und Bipolaronic Bands. Die UV-Vis-Spektrum erhalten bei der Oxidation von Poly (O-iPrThEE) offenbart die abnehmenden neutrale Polymer Absorptionsbande (300-550 nm) (Abbildung 6) zusammen mit der Bildung einer neuen Absorptionsbande (550-950 nm) von der radikal-Kationen der Bithiophene und p- Phenylenevinylene mit Maxima bei 692 nm. Der Isosbestic Punkt der Oxidationsprozess befand sich an 604 nm. Die Bipolaronic Band erschien zwischen den 950 nm und 1700 nm mit einem Maximum am 1438 nm befindet.
EPR-Spektroskopie ist die Technik, die Materialien mit einem ungepaarten Elektron erkennt, dazu gehören organische radikale39. Gibt es verschiedene Parameter, die aus EPR Spektren extrahiert werden konnten, aber eines der interessantesten schätzen, wo die radikalen lokalisiert werden soll. Elektronen, Protonen, ähnlich besitzen Spin. Mit der Abgabe eines Elektrons in einem äußeren Magnetfeld, kann diesem Spin zwei Arten aufgeteilt werden: parallel und antiparallel zum Magnetfeld, so dass zwei Energieniveaus. Dieses Phänomen nennt man die Zeeman Effekt40,41. Im Falle von organischen radikalen interagiert das ungepaarte Elektron nicht nur mit dem externen Magnetfeld, sondern auch mit magnetischen Kernen (Kerne, die eine ungleich NULL drehen; I≠0). Eine Reihe von entarteten Energieniveaus entsprechen 2I + 1, wo ich die Spin-Quantenzahl des Kerns das ungepaarte Elektron42 interagiertist. Das Zusammenspiel von das ungepaarte Elektron mit einer größeren Anzahl von magnetische Kerne führt die weitere Aufteilung der Energie-Ebenen und Hyperfein Struktur des EPR Spektren Registrierung43 (Abbildung 7).
Für Moleküle wo das ungepaarte Elektron Wechselwirkung mit einer noch größeren Zahl von Kernen, könnten die einzelne Spektrallinie überschneiden, welche Ergebnisse bei der Registrierung von einem einzigen, breites Signal44,45,46 (Abbildung 8). Dies ist typisch für konjugierte Polymere, wo das erzeugte radikale Ion in einem Redox-Prozess delokalisierte47,48 ist.
Die Kombination der EPR-Spektroskopie mit elektrochemischen Methoden ermöglicht die Charakterisierung der Ladungsträger (radikale Ion) erzeugt während der Redox-Prozess sowie die Bestimmung des Mechanismus der diese Prozesse49,50 . Wenn gut gelöst (Gipfel sind getrennt; nicht in Form von einem breiten Gipfel) Spektren sind registriert, wie im Falle der elektrochemische Reduktion von s -kurz-Derivat (Abbildung 7), die Analyse der Hyperfein Struktur der Spektren führt dann zu Rückschlüsse auf die Lokalisation der ungepaarte Elektron. Eine Möglichkeit, diese Art von Spektren zu analysieren ist, Simulation mit einer speziellen Software durchzuführen und simulierte Spektren mit den experimentellen ein51passen. Dies ist besonders hilfreich, wenn die Hyperfein-Struktur durch das Zusammenspiel von das ungepaarte Elektron mit einer großen Anzahl von Protonen ist. Bei der s- kurz-Derivat in Abbildung 7gezeigt zeigt Simulation von EPR Spektren (rote Linie) das Zusammenspiel von das ungepaarte Elektron mit vier Stickstoffatome von s- kurz.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig1.jpg"> Abbildung 1: elektrochemische und Spectroelectrochemical Zellen für Messungen verwendet. Die Abbildung zeigt das Schema-Setup der elektrochemischen/Spectroelectrochemical Zellen mit zyklischer Voltammetrie, Ultraviolett, sichtbar und nah-Infrarot (UV-Vis-NIR) und Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz (EPR) Spectroelectrochemical Messungen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig2.jpg"> Abbildung 2: zyklischer Voltammetrie (CV) richtig gemessenen zusammengesetzten COPO1 (a) und die CV mit einer instabilen verweisen potenzielle Dibenzothiophene-S, S-Kohlendioxid mit Ferrocen (b)52. Die Abbildung zeigt zwei zyklische Voltammograms. (a) Geschenke richtig registriert CV und (b) zeigt eine Voltammogram mit einer Referenzelektrode mit keine stabile potenzielle registriert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig3.jpg"> Abbildung 3: zyklischer Voltammetrie (CV) von zusammengesetzten COPO1 in einer Vielzahl von Potenzialen. Schätzung der Beginn Potenziale bei EA und IP-Berechnungen für die COPO1 Verbindungen52. EA = −2.90 eV und IP = 5,35 eV. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig4.jpg"> Abbildung 4. EPR sechs Spektrallinie von Mangan standard. Die paramagnetischen Signal von Mangan zur Kalibrierung der Signal-Schicht. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig5.jpg"> Abbildung 5: zyklischer Voltammetrie (CV) von zusammengesetzten NtVTh. Zyklische Voltammograms 15 mm NtVTh in 0,1 M Bu4NBF4/CH3CN und relativ Ferrocen Standard präsentiert den Abbauprozess beteiligt an der Arbeitselektrode. Scan-Rate 0,05 V/s: (ein) im Bereich −1.4 V bis 0,8 V und (b) im Bereich −1.4 V bis 0,9 V. erfolgte <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig5large.jpg" target="_blank">Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig6.jpg"> Abbildung 6: ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten (UV-Vis-NIR) Spectroelectrochemistry der Poly (O-iPrThEE) Ableitung. UV-Vis-NIR-Spektren präsentiert die Evolution der Absorptionsbande durch die Erzeugung von Ladungsträgern auf Polymerstruktur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig7.jpg"> Abbildung 7: EPR-Spectroelectrochemical-Analyse der kurz Ableitung. (a) Struktur der s- kurz Ableitung; (b) EPR-Spektren registriert bei elektrochemische Reduktion von s- kurz-Derivat (schwarze Linie-experimentelle und rote Linie simulierte Spektrum). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig7large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig8.jpg"> Abbildung 8: EPR Spectroelectrochemical Polaron Signal des konjugierten Polymeren. Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz (EPR) Spektren registriert während der erste Schritt der Oxidation von konjugierten Polymeren (EPR Spektren Polaron-Arten). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig8large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56656/56656fig9.jpg"> Abbildung 9: zyklischer Voltammetrie (CV) von Ferrocen und Decamethylferrocene. Vergleich der zwei elektrochemische Normen als reine sowie Mischung zeigt die Verschiebung des Potenzials. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56656/56656fig9large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>

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Using Cyclic Voltammetry, UV-Vis-NIR, and EPR Spectroelectrochemistry to Analyze Organic Compounds

In diesem Artikel beschreiben wir elektrochemische, Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz und ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Spectroelectrochemical Methoden für die Analyse organischer Verbindungen für Anwendung in der organischen Elektronik.

Mithilfe von zyklischer Voltammetrie, UV-Vis-NIR und EPR Spectroelectrochemistry organische Verbindungen analysieren

Cyclic voltammetry (CV) is a technique used in the analysis of organic compounds. When this technique is combined with electron paramagnetic resonance ...

Diese Methoden können helfen, die Wirkung der molekularen Struktur von elektroaktiven organischen Molekülen auf geladene Trägergenerationen und Dynamik, Itemisierungspotenzial, Elektronenaffinität und Bindungsdiagrammwerte zu identifizieren. Diese Methoden sind eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit, die wertvollsten Parameter für viele elektroaktive Materialien zu bestimmen, ohne spezielle Geräte konstruieren zu müssen. Die vorgestellte Methode kann verwendet werden, um alle Arten von elektronenaktiven Verbindungen zu analysieren, z. B. solche mit delokalisierten Bi-Elektronen, einschließlich kleiner Moleküle und großer polymerer Ketten.Um das CV-Verfahren zu beginnen, füllen Sie eine saubere elektrochemische Zelle mit 1,5 Milliliter Elektrolytlösung und kappen die Zelle mit Polytetrafluorethylen-Elektrodenhalter. Einbau von Arbeitshilfs- und Referenzelektroden in die Kappe mit den Arbeits- und Referenzelektroden so nah wie möglich beieinander, ohne sich zu berühren. Stellen Sie sicher, dass die Elektroden in den Elektrolyten eingetaucht sind.Dann verbinden Sie die Elektroden mit einem Potentiostat, wobei Sie darauf achten, dass sich die Anschlüsse nicht berühren. Für eine Reduktionsanalyse Blaseninertgas durch die Lösung für mindestens fünf Minuten, um gelösten Sauerstoff zu entfernen. Heben Sie dann die Inertgasleitung über die Lösung und lassen Sie das Gas während des Experiments fließen.Sobald die elektrochemische Zelle bereit ist, öffnen Sie die Potentiostat-Software und wählen Sie das CV-Verfahren. Stellen Sie das Startpotenzial auf Null Volt und die oberen und unteren Scheitelpunktpotentiale auf zwei Volt und Nullvolt für die Oxidationsanalyse oder auf Null Volt und negative 2,5 Volt für die Reduktionsanalyse. Stellen Sie das Stopppotenzial auf Null Volt ein.Und die Anzahl der Haltekreuzungen auf sechs. Und die Scanrate auf 0,05 Volt pro Sekunde. Benennen Sie die Datendatei, und erfassen Sie ein Voltammogramm.Überprüfen Sie, ob die Elektroden sauber sind und gegebenenfalls gelöster Sauerstoff entfernt wurde. Dann fügen Sie 10 Mikroliter einer einmillimolaren Furacin-Lösung in den Elektrolyt und erhalten Sie einen Referenzscan. Danach die Zelle und die Elektroden leeren und reinigen.Füllen Sie die Zelle mit 1,5 Millilitern einer millimolaren Lösung der Verbindung, die im Elektrolyt analysiert werden soll. Verbinden Sie die Zelle wieder mit dem Potentiostat und sparen Sie die Lösung, wenn nötig. Stellen Sie dann das Startpotenzial auf Null Volt ein.Die oberen und unteren Scheitelpunktpotentiale auf 0,5 Volt und null Volt für die Oxidation. Oder Null Volt und negative 0,5 Volt zur Reduktion. Das Stopppotential auf Null Volt.Und die Anzahl der Haltekreuzungen auf 10. Und die Scanrate auf 0,05 Volt pro Sekunde. Benennen Sie die Datendatei, und erfassen Sie dieses anfängliche Votammogramm.Erhöhen Sie dann das obere Scheitelpunktpotential für eine Oxidationsanalyse um 0,1 Volt oder verringern Sie das untere Scheitelpunktpotential um 0,1 Volt für eine Reduktionsanalyse. Und führen Sie den Scan erneut aus. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis der volle Höhepunkt des Interesses beobachtet wird.Wenn aufeinanderfolgende Scans die Referenzelektrode verschoben haben, lassen Sie sie eine Stunde lang in die Elektrolytlösung einweichen. Und wiederholen Sie dann die Messung. Führen Sie nach Abschluss der Oxidationsmessungen Reduktionsmessungen durch oder vis versa.Legen Sie dann das Startpotenzial auf Null Volt, den oberen Scheitelpunkt auf einen Volt, den unteren Scheitelpunkt auf negative 2,7 Volt und das Stopppotenzial auf Null Volt fest. Führen Sie den Scan aus, und passen Sie das potenzielle Fenster nach Bedarf an, um sicherzustellen, dass die vollständigen Spitzen sichtbar sind. Wiederholen Sie den Vorgang mit unterschiedlichen Scanraten und in Gegenwart von Furacin.Um das UV-Vis-nahe IR-Verfahren zu beginnen, füllen Sie eine saubere spektroelektrochemische Zelle mit 0,5 Millilitern einer Elektrolytlösung. Setzen Sie die Arbeitshilfs- und Referenzelektroden ein und legen Sie die montierte Zelle in das Spektrometer. Verbinden Sie die Elektroden mit dem Potentiostat und öffnen Sie die Potentiostat- und Spektrometersoftware.Nehmen Sie Absorptionsmessungen an jedem Detektor als Lösungsmittelrohling vor. Trennen Sie dann die Zelle, leeren Sie sie, und reinigen Sie sie. Füllen Sie es entweder mit einer einmal 10 bis zur negativen fünften Molarenlösung einer Verbindung im Elektrolyten oder mit dem Elektrolyten allein, wenn sie ein material testet, das sich auf der Arbeitselektrode ablagert.Es ist sehr wichtig, die spektroelektrochemische Zelle richtig und in der Art und Weise so ähnlich wie möglich zu der specrtroelektrochemischen Zelle, die verwendet wird, um das leere Spektrum zu erfassen, nur dies wird die Registrierung von guten Ergebnissen gewährleisten. Legen Sie die Zelle in das Spektrometer und verbinden Sie die Elektroden wieder mit dem Potentiostat. Wenden Sie ein neutrales Potenzial auf die Zelle an und erwerben Sie ein Startspektrum.Erhöhen Sie das Potential um 0,1 Volt und warten Sie etwa 10 Sekunden, bis sich der Prozess stabilisiert. Dann erwerben Sie ein anderes Spektrum. Setzen Sie diesen Prozess fort, bis die erste Änderung im Spektrum beobachtet wird.Und dann dieses Spektrum speichern. Erhöhen Sie als Nächstes das Potenzial um 0,05 Volt. Warten Sie 10 Sekunden.Und ein Spektrum erwerben. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das erste oder zweite Oxidationspotential, das aus der CV-Messung ermittelt wird, erreicht ist. Dann de dope den Film, indem Sie ein neutrales Potenzial.Vergleichen Sie am Ende die Spektren des Films vor der Oxidation und nach dem Doping. Um das EPR-Spektroelektrochemieverfahren für polymere Materialien zu beginnen, die auf einer Arbeitselektrode abgelagert werden, füllen Sie die spektroelektrochemische Zelle mit dem Elektrolyten und legen Sie sie in das EPR-Spektrometer. Richten Sie den Manganstandard ein und passen Sie die Instrumentenparameter so an, dass sie nur die dritte und vierte Manganlinie abdecken.Erfassen Sie ein Hintergrundspektrum, überprüfen Sie, ob Verunreinigungen enthalten sind, und entfernen und reinigen Sie die Zelle. Als nächstes füllen Sie die Zelle mit dem Elektrolyten auf. Legen Sie die Elektroden in die Zelle mit der Referenz- und Arbeitselektroden innerhalb der Hilfselektrodendrahtspirale, wobei Sie darauf achten, die Polymerschicht auf der Arbeitselektrode nicht zu beschädigen.Positionieren Sie die Arbeitselektrode in der Nähe des Bodens der Zelle und der Referenzelektrode in der Nähe des oberen Teils des aktiven Abschnitts der Arbeitselektrode. Verbinden Sie die Elektroden mit einem Potentiostat und legen Sie die Zelle in das Instrument. Es ist wichtig, spektroelektrochemische Zelle richtig einzurichten und nicht endgültige Positive auf der Arbeitselektrodenoberfläche zu zerstören.Eine falsche Platzierung der Arbeitselektroden macht es unmöglich, Ergebnisse zu registrieren. Wenden Sie ein neutrales Potenzial an und erwerben Sie ein Anfangsspektrum. Erhöhen Sie dann das Potenzial um 0,1 Volt, warten Sie 10 Sekunden, bis die Probe ausgeglichen wird, und erfassen Sie ein anderes Spektrum.Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das EPR-Signal angezeigt wird. Erhöhen Sie dann das Potenzial um 0,05 Volt, warten Sie 10 Sekunden und erwerben Sie ein anderes Spektrum. Setzen Sie diesen Prozess fort, bis das erste oder zweite Oxidationspotential erreicht ist, und kehren Sie dann die potenziellen Schritte um und kehren Sie auf die gleiche Weise zum Startpotenzial zurück.Wenden Sie dann das Potenzial an, bei dem das EPR-Signal erschien. Aktivieren Sie die Manganreferenz, und zeichnen Sie ein Spektrum auf, um eine Messung mit der dritten und vierten Spektrallinien von Mangan zu erhalten. Die Potentiale sowohl reversibler als auch irreversibler Prozesse können anhand von Berechnungen geschätzt werden, die auf dem Schnittpunkt von Linien basieren, die tangential zu den CV-Spitzen mit dem Hintergrund sind, angepasst für das Referenzmaterial.UV-Vis-nahe IR-Spektroskopie dieses Polythiophendertes zeigt, dass das neutrale Polymerabsorptionsband abnimmt und sich während des oxidativen Dopings neue polarische und bipolare Absorptionsbänder bilden, mit einem isosbestischen Punkt bei 604 Nanometern. Das neue polaronic Band von 550 bis 950 Nanometern wurde den radikalen Kationen von Biothiophen und Paraphenylenphenylen zugeschrieben. Ein neues bipolares Band wurde zwischen 950 und 1700 Nanometern beobachtet.Die EPR-Spektroskopie während der Reduktion dieses S-Tetrazin-Derivats zeigte ein hyperfeines Spaltungsmuster, das einer Simulation entsprach, die mit der Wechselwirkung eines ungepaarten Elektrons mit den vier Stickstoffatomen von S-Tetrazin übereinstimmte. Ein einziges breites EPR-Signal wird häufig von konjugierten Polymeren beobachtet, was auf eine signifikante Delokalisierung des durch den Redux-Prozess von Interesse erzeugten Radikalions hinweist. Achten Sie bei der Durchführung der Reduktionsanalyse während dieses Verfahrens darauf, die Lösung vor der Messung richtig zu dedopen, um Störungen durch den Selbstsauerstoff zu vermeiden.Nach diesem Verfahren können das Elektronenaffinitätsionisierungspotential und die Bandkappe des untersuchten Materials anhand der Daten geschätzt werden. Mit diesem Verfahren können Sie die Auswirkungen der chemischen Struktur auf die untersuchten Eigenschaften für eine Gruppe von Materialien bestimmen.

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