Spektroelektrochemie - Spectroelectrochemistry
Spektroelektrochemie (SEC) ist eine Reihe von Multi-Response-Analysetechniken, bei denen komplementäre chemische Informationen ( elektrochemisch und spektroskopische ) in einem einzigen Experiment gewonnen werden. Die Spektroelektrochemie bietet einen umfassenden Überblick über die Phänomene, die beim Elektrodenprozess auftreten. Das erste spektroelektrochemische Experiment wurde 1964 von Theodore Kuwana, PhD, durchgeführt .
Das Hauptziel spektroelektrochemischer Experimente besteht darin, simultane, zeitaufgelöste und in-situ elektrochemische und spektroskopische Informationen über die an der Elektrodenoberfläche ablaufenden Reaktionen zu erhalten. Die Grundlage der Technik besteht darin, die Wechselwirkung eines Strahls elektromagnetischer Strahlung mit den an diesen Reaktionen beteiligten Verbindungen zu untersuchen. Die Veränderungen des optischen und elektrischen Signals ermöglichen es uns, die Entwicklung des Elektrodenprozesses zu verstehen.
Die Techniken, auf denen die Spektroelektrochemie basiert, sind:
- Elektrochemie , die die Wechselwirkung zwischen elektrischer Energie und chemischen Veränderungen untersucht. Mit dieser Technik können wir Reaktionen analysieren, bei denen Elektronentransferprozesse ( Redoxreaktionen )involviert sind.
- Spektroskopie , die die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie (Absorption, Dispersion oder Emission) untersucht.
Die Spektroelektrochemie liefert molekulare, thermodynamische und kinetische Informationen über Reagenzien, Produkte und/oder Zwischenprodukte, die am Elektronentransferprozess beteiligt sind.
Klassifizierung spektroelektrochemischer Techniken
Es gibt verschiedene spektroelektrochemische Techniken, die auf der Kombination von spektroskopischen und elektrochemischen Techniken basieren. In Bezug auf die Elektrochemie sind die am häufigsten verwendeten Techniken:
- Chronoamperometrie , die die Stromstärke als Funktion der Zeit misst, indem eine konstante Potenzialdifferenz an die Arbeitselektrode angelegt wird.
- Chronopotentiometrie , die die Potentialdifferenz als Funktion der Zeit durch Anlegen eines konstanten Stroms misst.
- Voltammetrie , die die Stromänderung als Funktion der linearen Änderung des Arbeitselektrodenpotentials misst.
- Pulstechniken , die die Änderung des Stroms als Funktion der Potentialdifferenz messen, indem Pulspotentialfunktionen auf die Arbeitselektrode angewendet werden.
Die allgemeine Einteilung der spektroelektrochemischen Techniken basiert auf der gewählten spektroskopischen Technik.
Ultraviolett-sichtbare Absorptionsspektroelektrochemie
Die UV-Vis -Absorptionsspektrochemie (UV-Vis) ist eine Technik, die die Absorption elektromagnetischer Strahlung in den UV-Vis-Bereichen des Spektrums untersucht und molekulare Informationen über die elektronischen Ebenen von Molekülen liefert. Es liefert sowohl qualitative als auch quantitative Informationen. Die UV-Vis-Spektroelektrochemie hilft bei der Charakterisierung von Verbindungen und Materialien, bestimmt Konzentrationen und verschiedene Parameter wie Absorptionskoeffizienten, Diffusionskoeffizienten, formale Potentiale oder Elektronentransferraten.
Photolumineszenzspektroelektrochemie
Photolumineszenz (PL) ist ein Phänomen, das mit der Fähigkeit einiger Verbindungen zusammenhängt, die nach Absorption spezifischer elektromagnetischer Strahlung durch Emission von Photonen in einen niedrigeren Energiezustand relaxieren. Diese spektroelektrochemische Technik ist auf solche Verbindungen mit fluoreszierenden oder lumineszierenden Eigenschaften beschränkt. Die Experimente werden stark durch Umgebungslicht gestört. Diese Technik liefert strukturelle Informationen und quantitative Informationen mit großen Nachweisgrenzen .
Infrarotspektroelektrochemie
Die Infrarotspektroskopie basiert auf der Tatsache, dass Moleküle elektromagnetische Strahlung mit charakteristischen Frequenzenabsorbieren,die mit ihrer Schwingungsstruktur zusammenhängen. Infrarot (IR)-Spektroelektrochemie ist eine Technik, die die Charakterisierung von Molekülen basierend auf Widerstand, Steifigkeit und Anzahl der vorhandenen Bindungen ermöglicht. Es erkennt auch das Vorhandensein von Verbindungen, bestimmt die Konzentration von Spezies während einer Reaktion, die Struktur von Verbindungen, die Eigenschaften der chemischen Bindungen usw.
Raman-Spektroelektrochemie
Die Raman-Spektroelektrochemie basiert auf der inelastischen Streuung oder Raman-Streuung von monochromatischem Licht beim Auftreffen auf ein bestimmtes Molekül und liefert Informationen über die Schwingungsenergie dieses Moleküls. Das Raman-Spektrum liefert hochspezifische Informationen über die Struktur und Zusammensetzung der Moleküle, wie beispielsweise einen echten Fingerabdruck von ihnen. Es wurde ausgiebig verwendet, um einwandige Kohlenstoffnanoröhren und Graphen zu untersuchen.
Röntgenspektroelektrochemie
Röntgenspektroelektrochemie ist eine Technik, die die Wechselwirkung von hochenergetischer Strahlung mit Materie während eines Elektrodenprozesses untersucht. Röntgenstrahlen können Absorptions-, Emissions- oder Streuphänomene hervorrufen, was es ermöglicht, je nach auftretendem Phänomen sowohl quantitative als auch qualitative Analysen durchzuführen. Alle diese Prozesse beinhalten elektronische Übergänge in den inneren Schichten der beteiligten Atome. Besonders interessant ist es, die Prozesse der Strahlung , Absorption und Emission zu untersuchen , die während einer Elektronentransferreaktion ablaufen. Bei diesen Prozessen kann die Förderung oder Relaxation eines Elektrons zwischen einer äußeren Hülle und einer inneren Hülle des Atoms erfolgen.
Kernspinresonanzspektroelektrochemie
Kernspinresonanz (NMR) ist eine Technik verwendetzu erhaltenphysikalische, chemische, elektronische und strukturelle Informationen über Moleküle aufgrund der chemischen Verschiebung der Resonanzfrequenzen von Kernspins in der Probe. Seine Kombination mit elektrochemischen Techniken kann detaillierte und quantitative Informationen über die funktionellen Gruppen, Topologie, Dynamik und die dreidimensionale Struktur von Molekülen in Lösung während eines Ladungstransferprozesses liefern. Die Fläche unter einem NMR- Peak hängt mit dem Verhältnis der Anzahl der beteiligten Windungen und den Peakintegralen zusammen, um die Zusammensetzung quantitativ zu bestimmen.
Elektronen-Paramagnetische Resonanz-Spektroelektrochemie
Die paramagnetische Elektronenresonanz (EPR) ist eine Technik, die den Nachweis von freien Radikalen ermöglicht, die in chemischen oder biologischen Systemen gebildet werden. Darüber hinaus untersucht sie die Symmetrie und die elektronische Verteilung der paramagnetischen Ionen. Dies ist eine hochspezifische Technik, da die magnetischen Parameter für jedes Ion oder freie Radikal charakteristisch sind. Die physikalischen Prinzipien dieser Technik sind denen der NMR analog, aber im Fall von EPR werden Elektronenspins anstelle von Kernspins angeregt, was bei bestimmten Elektrodenreaktionen interessant ist.
Vorteile und Anwendungen
Die Vielseitigkeit der Spektroelektrochemie nimmt zu, da je nach Untersuchungszweck und interessierender Information mehrere elektrochemische Techniken in unterschiedlichen Spektralbereichen eingesetzt werden können.
Die Hauptvorteile spektroelektrochemischer Techniken sind:
- Die gleichzeitige Information wird durch verschiedene Techniken in einem einzigen Experiment gewonnen, wodurch die Selektivität und die Empfindlichkeit erhöht werden.
- Es können sowohl qualitative als auch quantitative Informationen gewonnen werden.
- Die Möglichkeit, mit einer kleinen Probenmenge zu arbeiten und diese für zukünftige Analysen zu speichern.
Aufgrund der hohen Vielseitigkeit der Technik ist das Anwendungsfeld sehr breit gefächert.
- Untersuchung von Reaktionsmechanismen , bei denen die Oxidation und Reduktion der an der Reaktion beteiligten Spezies sowie die Bildung von Reaktionszwischenprodukten beobachtet werden können .
- Charakterisierung von organischen und anorganischen Materialien, die es ermöglichen, die Struktur und Eigenschaften des Materials zu verstehen, wenn es durch ein Signal (elektrisch, Licht usw.) gestört wird.
- Entwicklung von spektroelektrochemischen Sensoren, die auf optischen und elektrischen Reaktionen basieren, die zwei unabhängige Signale über dieselbe Probe liefern und eine selbstvalidierte Bestimmung ermöglichen.
- Untersuchung von Katalysatoren , um Zusammenhänge zwischen den elektrochemischen und spektroskopischen Eigenschaften und ihrem photochemischen und photophysikalischen Verhalten zu ermitteln.
- Studieren Sie verschiedene Prozesse und Moleküle in der Biotechnologie, Biochemie oder Medizin.
- Bestimmen Sie spezifische Eigenschaften und Eigenschaften neuer Materialien in Bereichen wie Energie oder Nanotechnologie .