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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/29775
Tipo: | Tese |
Título: | Propriedades eletrônicas, eletroquímicas e espectroscópicas de complexos interfaciais: a coordenação de bifenilas sulfuradas sobre substratos metálicos |
Título em inglês: | Electronic, electrochemistry, and spectroscopic properties of interfacial complexes: the coordination of sulfureted biphenyls on metallic substrates |
Autor(es): | Abreu, Dieric dos Santos de |
Orientador: | Diógenes, Izaura Cirino Nogueira |
Coorientador: | Abruña, Héctor Daniel |
Palavras-chave: | Bifenilas sulfuradas;Eletrodos modificados;Tríade do cobre;Efeito relativístico;Reações de transferência de carga |
Data do documento: | 2017 |
Citação: | ABREU, D. S. Propriedades Eletrônicas, Eletroquímicas e Espectroscópicas de Complexos Interfaciais: A Coordenação de Bifenilas Sulfuradas Sobre Substratos Metálicos. 2017. 200 f. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017. |
Resumo: | Neste trabalho, são apresentados estudos teóricos, espectroscópicos e eletroquímicos com o objetivo de entender as mudanças estruturais e eletrônicas de superfícies metálicas induzidas pela formação das SAMs (Self-Assembled Monolayers) formadas com os compostos – 1,1’-bifenil-4-tiol (HSBPH, μ ⃗= 1,13), 4′-mercapto-[1,1′-bifenil]-4-carbonitrila (HSBPCN, μ ⃗=5,3 Debye) e 4,4′-dimercaptobifenil (HS2BP, μ ⃗= 0,46) – sobre cobre, prata e ouro. Tais superfícies, espontaneamente modificadas em decorrência da imersão em solução dos modificadores, apresentaram valores máximos de fração de recobrimento () de 0,96 (HSBPH), 0,99 (HSBPCN) e 0,98 (HS2BP) após 1h de imersão a 20 oC. Os valores de das SAMs, assim como das constantes de velocidade heterogênea de transferência de carga (kapp) da molécula de prova redox [Fe(CN)6]3/4, foram determinados por impedância e mostraram-se sensíveis ao tempo de modificação. Considerando o máximo de fração de recobrimento, os valores de kapp foram calculadas em 6,8 x105, 1,3 x105 e 9,4 x106 cm s1 para as SAMs dos compostos HSBPH, HSBPCN e HS2BP sobre ouro, respectivamente. As respostas impedimétricas em solução de KF na ausência de moléculas de prova, indicaram um aumento do recobrimento superficial das SAMs até o valor limite de 5,3x1011 mol cm2 (HSBPH), 1,8x1011 mol cm2 (HSBPCN) e 1,4x1010 mol cm-2 (HS2BP). Para a SAM de HSBPCN sobre ouro, os resultados voltamétricos na região de dupla camada, apresentaram uma significativa diminuição da capacitância diferencial (8,9 F cm2), comparativamente ao eletrodo de ouro limpo (35,3 F cm2). Os espectros SERS in situ obtidos para a SAM de HSBPCN sobre os substratos de Cu, Ag e Au indicaram a existência de um mecanismo químico de transferência de carga entre os orbitais de fronteira HOMO e LUMO dos complexos interfaciais, com a transição ocorrendo do metal para a molécula no caso dos eletrodos de Cu e Ag, e no sentido inverso, da molécula para o metal, no caso do substrato de Au. De acordo com os cálculos computacionais, os orbitais LUMO dos complexos interfaciais têm contribuição de 44, ~3 e 60% dos orbitais ns dos átomos de Cu, Ag e Au, respectivamente. Comparativamente aos átomos de Cu e Ag, a maior contribuição dos orbitais atômicos do ouro na formação do orbital LUMO do complexo se deve ao efeito relativístico que diminui a energia dos orbitais atômicos tornando-a mais próxima da energia dos orbitais moleculares resultantes. Justifica-se, assim, a transição de transferência de carga HSBPCN Au, uma vez que esta transição ocorre entre os orbitais de fronteira. Na ausência de radiação incidente, todavia, a polaridade das moléculas constituintes da SAM, definida pelo grupo terminal (retirador de elétrons no caso da SAM de HSBPCN), determina as propriedades interfaciais. De fato, baseando-se nos experimentos de microscopia de varredura eletroquímica, os valores das constantes de velocidade das reações heterogêneas de transferência de carga (k0) indicam processos mais rápidos para a espécie neutra (FcMeOH, k0 = 1,3 cm s1) e catiônica ([Ru(NH3)6]3+, k0 > 3 cm s1), comparativamente aos mediadores [Fe(CN)6]4- e [Fe(CN)6]3- (k0 ~1,2x104 cm s1), negativamente carregados. Esse resultado indica que a polaridade interfacial parece ser preponderante nos sistemas estudados, isto é, afasta da interface os complexos negativamente carregados e aproxima aquele de carga positiva ou neutra. Esse comportamento sugere que a reação de transferência de elétrons na interface da SAM de HSBPCN sobre ouro segue um mecanismo não-adiabático. A aplicação das SAMs das moléculas de HSBPCN, HSBPH e HS2BP sobre ouro foi avaliada frente à capacidade de reconhecimento/detecção do açúcar D-manose após imobilização da lectina ConBr. Os resultados voltamétricos e impedimétricos, obtidos em meio eletrolítico contendo o íon [Fe(CN)6]3-/4-, mostraram aumento de corrente faradáica atribuída ao par redox FeIII/II do complexo de ferro com o aumento da concentração de açúcar no meio. Duas hipóteses foram consideradas para a explicação dos perfis voltamétricos: (1) existência de microporos e (2) dipolo interfacial. A existência de microporos resultante da possível lixiviação das moléculas de ConBr imobilizadas sobre as SAMs implica em menor resistência à reação heterogênea de transferência de carga devido à facilidade de acesso à superfície de ouro. O papel do dipolo interfacial gerado por uma espécie polar adsorvida no substrato, por sua vez, justifica, de forma mais efetiva, a resposta de corrente associada à reação heterogênea de transferência de carga devido aos efeitos repulsivos na interface. |
Abstract: | In this work, theoretical, spectroscopic and electrochemical studies are shown aiming to understand the structural and electronic changes of the metallic surfaces induced by the formation of Self-Assembled Monolayers (SAMs) produced with 1’-biphenyl-4-thiol (HSBPH, μ ⃗= 1.13), 4′-mercapto-[1,1′- biphenyl]-4-carbonitrile (HSBPCN, μ ⃗=5,3 Debye) and 4,4′-dimercaptobiphenyl (HS2BP, μ ⃗= 0,46) on copper, silver and gold. Such surfaces, spontaneously modified upon immersion in the modifier solutions, showed maxima values of surface coverage fraction () of 0.96 (HSBPH), 0.99 (HSBPCN) and 0.98 (HS2BP) after 1h of modification at 20 oC. The values of of the SAMs as well as those of the heterogeneous charge transfer rate constants (kapp) of the redox probe molecule [Fe(CN)6]3/4, were determined by impedance and shown to be sensitive to the modification time. Considering the maximum of surface coverage fraction, the values of kapp were calculated as 6.8 x105, 1.3 x105 and 9.4 x106 cm s1 for the SAMs of HSBPH, HSBPCN and HS2BP on gold, respectively. The impedimetric responses in KF solution without probe molecules, indicated an increase of the surface coverage up to 5.3x1011 mol cm2 (HSBPH), 1.8x1011 mol cm2 (HSBPCN) and 1.4x1010 mol cm-2 (HS2BP). For the SAM of HSBPCN on gold, the voltammetric results within the double layer showed a meaningful decrease of the differential capacitance (8.9 F cm2) in comparison to the bare gold (35.3 F cm2). The SERS in situ spectra obtained for the SAM of HSBPCN on Cu, Ag and Au indicated the existence of a chemical mechanism of charge transfer between the frontier orbitals HOMO and LUMO of the interfacial complexes, with the transition going from the metal to the molecule for Cu and Ag, and in the opposite direction, from the molecule to the metal, for the Au substrate. According to the computational calculations, the LUMO orbitals of the interfacial complexes are composed by 44, ~3 and 60% of the ns atomic orbitals of Cu, Ag and Au, respectively. In comparison to Cu and Ag, the largest contribution of the ns atomic orbital of Au for the LUMO orbital of the complex is assigned to the relativistic effect that decrease the energy of the atomic orbital making it closer to the resulting molecular orbitals. The charge transfer transition HSBPCN Au is, thus, justified since this process occurs between the frontier orbitals. With no exciting radiation, however, the polarity of the molecules within the SAM, established by the terminal group (electron withdrawing in the case of HSBPCN SAM), determines the interfacial properties. Indeed, based on the measurements of scanning electrochemical microscopy, the values of the rate constants of the heterogeneous charge transfer reactions (k0) indicate faster processes for the neutral (FcMeOH, k0 = 1.3 cm s1) and cationic ([Ru(NH3)6]3+, k0 > 3 cm s1) species, comparatively to the negatively charged mediators [Fe(CN)6]4- and [Fe(CN)6]3- (k0 ~1,2x104 cm s1). This result indicates that the interfacial polarity seems to be preponderant in the studied systems, taking apart from the interface the negatively charged complexes and approaching the cationic complex. This behavior suggests that the heterogeneous electron transfer reaction at the interface of HSBPCN SAM follows a nonadiabatic pathway. The applicability of the SAMs of HSBPCN, HSBPH e HS2BP on gold was evaluated in relation to the recognition/detection of D-mannose sugar after immobilization of the lectin ConBr. The voltammetric and impedimetric data, obtained in electrolytic medium containing [Fe(CN)6]3-/4-, showed an increase of the faradaic current assigned to the FeIII/II redox pair of the iron complex with the increase of the sugar concentration. Two hypotheses were considered to explain the voltammetric profiles: (1) existence of micropores and (2) interfacial dipole. The existence of micropores resulting from the possible leaching of the immobilized ConBr molecules on the SAMs implies lower resistance to the heterogeneous charge transfer reaction due to the easy access to the underlying gold surface. The role of the interfacial dipole generated by the polar species adsorbed on the substrate, in turn, justifies, more effectively, the current response associated with the heterogeneous charge transfer reaction due to the repulsive effects at the interface. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/29775 |
Aparece nas coleções: | DQOI - Teses defendidas na UFC |
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