leap laboratório de eletroquímica e polímeros · 2011-09-02 · ou seja, podemos adequadamente...
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica
CQ049 – FQ IV Eletroquímica
prof. Dr. Marcio Vidotti
LEAP – Laboratório de Eletroquímica e Polímeros
www.quimica.ufpr.br/mvidotti
Terça/Quarta: 15:30 – 17:30
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Espontaneidade de reações eletroquímicas
redução A + e- → A-
oxidação A → A+ + e-
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Catodo / Anodo
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de reações redox
G
DG = -nFE
elet
rod
o
A
B
A reação redox pode ser qualitativamente realizada pela escolha adequada do potencial (ou energia) na superfície do eletrodo: Neste caso, em uma solução aquosa contendo as espécies eletroativas “A” e “B”, apenas “A” seria oxidado.
elet
rod
o
A
B
Porém, se o potencial for alto o suficiente, ambos “A” e”B” serão oxidados na superfície do eletrodo:
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica
Em uma reação de eletrodo, basicamente podemos controlar duas variáveis: 1. Potencial Ou seja, podemos adequadamente aplicar um potencial específico (ou energia) no
eletrodo, com isso, é possível escolher qual a reação que será realizada na superfície do eletrodo;
O controle do potencial pode ser feito de duas formas: (i) Potenciostática ou (ii) Potenciodinâmica;
2. Corrente Pode-se controlar a taxa de uma reação redox, ou seja, fixamos o valor de corrente
(número de elétrons por unidade de área) que deverá ser fornecida (no caso de uma reação de redução) ou recebida (reação de oxidação) em um determinado intervalo de tempo. Este tipo de reação também é conhecido como galvanostática.
Controle de reações redox
j = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒
á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜 𝑖 =
𝑄 (𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑔𝑎𝑠𝑡𝑎 𝑜𝑢𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎)
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜= 𝐴 =
[𝐶]
[𝑠]
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de corrente
elet
rod
o
A
B
Em uma reação controlada galvanostaticamente, não há um controle preciso do valor do potencial na superfície do eletrodo.
h1
elet
rod
o
A
B
h2
elet
rod
o
A
B
h3
Nesta situação, temos j1 < j2 < j3, desta forma para que a taxa seja alcançada, o potencial do eletrodo deverá ter a energia correspondente, independentemente das reações secundárias. É uma técnica indicada se a composição do eletrólito é previamente conhecida. As principais vantagens são o controle exato do número de elétrons transferidos e do tempo da reação.
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de corrente
0 50 100
-2.0
-1.6
-1.2
-0.8
-0.4
E /
V v
s. A
g/A
gC
l
tempo / seg
Exemplo: síntese galvanostática de azul da Prússia:
Solução inicial (eletrólito) FeCl3 + K3Fe[(CN)6]
FeIII(CN)63- FeII(CN)6
4-
FeII(CN)64- + Fe3+ → FeIII[FeII(CN)6]-
Precipitação química na superfície do eletrodo (formação de um filme fino)
jcte = - 10 mA cm-2
jcte = - 30 mA cm-2
Potencial vs tempo: cronopotenciometria
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eletrodo
Tempo de síntese mudamos a morfologia da superfície
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica
FeII(CN)64- + Fe3+ → FeIII[FeII(CN)6]-
Precipitação química na superfície do eletrodo (formação de um filme fino)
Imagens de AFM de filmes eletrossintetizados por diferentes tempos
Controle de corrente
Mai
ore
s te
mp
os
de
sín
tese
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica AFM / STM
AFM – Microscopia de força atômica Interações repulsivas (contato) e
atrativas (não contato) STM – Corrente de tunelamento
ponta
ouro
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de potencial
elet
rod
o
A
B
h = E
Ao contrário da técnica galvanostática, a escolha de um potencial adequado pode nos fornecer um maior controle da reação a ser desenvolvida no eletrodo.
(i) Potencial constante: Neste caso um determinado valor fixo de potencial e medimos a corrente em função do tempo:
Segundo uma reação qualquer: A → M + e-
elet
rod
o
A
A
A
A
A
A A
A
A
A
A
A
OHP Camada difusa
Seio da solução
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de potencial el
etro
do
A
A
A
A
A
A A
A
A
A
A
A
OHP Camada difusa
Seio da solução
A M
EA jA
elet
rod
o
M
M
M
M
A
A A
A
A
A
A
A
Seio da solução
m1 m2
Cria-se uma diferença de potencial químico devido às diferentes concentrações de M e A, tanto na superfíce do eletrodo quanto no seio da solução. Conceito de DIFUSÃO !!
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de potencial el
etro
do
M
M
M
M
A
A A
A
A
A
A
A
Seio da solução
m1 m2
Para que ocorra o equilíbrio entre os potenciais químicos, ocorre a difusão de A para a superfície do eletrodo e a difusão de M para o seio da solução
jA
tempo
0
jD
jD = corrente limitada pela difusão
Integral sobre a curva corresponde a carga (qtde de elétrons) obtida do processo
Equação de Cottrell
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de potencial
Como medimos a corrente em função do tempo, esta técnica também é conhecida como cronoamperometria, largamente empregada em eletroanalítica, onde a
intensidade de corrente é diretamente proporcional à concentração da espécie eletroativa no seio da solução:
0 50 100 150
0
5
10
15
20
25
30
3 m mol L-1
0
[Glycine]
i / m
A
time / s
0 1
0
2
4
6
(A)
y = 6.02x
R = 0.997
i GL
Y /
mA
[glycine] / m moL cm-3
𝑗𝐷 ∝ 𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎çã𝑜
Oxidação de glicina (um aminoácido) na superfície de um eletrodo
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de potencial
(ii) O controle do potencial também pode ser realizado de forma dinâmica em uma técnica conhecida como voltametria, onde o potencial aplicado no eletrodo varia em função do tempo de uma forma controlada.
elet
rod
o
A
h = E
tempo
E
EI
EF
tempo ou E
corr
ente
0
É comum apresentar a voltametria como um gráfico de corrente vs potencial, onde seu formato é similar ao gráfico acima de corrente vs tempo. A variação do potencial com o tempo é chamada de velocidade de varredura (dE / dt) podendo ser alterada de acordo com a situação em estudo.
EA
EA
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de potencial
corr
ente
0 EA
corr
ente
0 EA
elet
rod
o
A
h = E
EA
elet
rod
o
M
M
M
M
A
A A
A
A
A
A
A
Seio da solução
m1 m2
E
E
jD
Difusão
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Controle de potencial
(ii) Na voltametria cíclica, ocorre a varredura nos dois sentidos do potencial, segundo a figura abaixo. Uma outra possibilidade é a variação da velocidade de varredura:
elet
rod
o
A
h = E
tempo
E
EI
EF
EA
-0.6 -0.4 -0.2 0.0
-2.0
0.0
2.0
i / m
A
E / V vs Ag/AgCl
Comparação com a equação de Randles-Sevcik
ip = (269,0)n3/2AD1/2Cν1/2
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Por que modificamos o eletrodo? • A modificação é efetuada para alcançar propriedades eletroquímicas diferentes do
eletrodo “puro”; • Uma vez modificado, podemos alterar a composição / arquitetura do depósito para
que estas “novas” propriedades sejam potencializadas; • Estas propriedades são basicamente relacionadas com aspectos cinéticos da
transferência de elétrons (catálise) ou para que efeitos difusivos sejam aumentados; • Economia de materiais e energia;
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Ox Red
eletrodo
elétrons EOXI Red
solução eletrodo
DG = -nFE
Ox Red
eletrodo
elétrons EOXI’
M’OXI M’RED
M’OXI
M’RED
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Materiais Eletrocatalíticos
Sensores / Biossensores baseados em reações eletroquímicas
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Materiais Eletrocatalíticos
Especificidade !!!!!!
Grande vantagem na utilização de biossensores
uréia glicina
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Materiais Eletrocatalíticos
Solução multi-componente
Etapa de separação - Métodos cromatográficos
descarte
Detecção eletroquímica
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Materiais Eletrocatalíticos
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Materiais Eletrocatalíticos
Biossensores
Enzimas redox
Molecular wiring
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Materiais Eletrocatalíticos
0 200 400 600-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0.05 mM glucose
j / m
A c
m-2
t / s0.00 0.25 0.50 0.75
-750
-500
-250
0
i / m
A
E / V
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica
Modificação de eletrodos
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Biossensores
Detecção amperométrica direta “molecular wiring”
Modificação de eletrodos
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Detecção amperométrica direta “molecular wiring”
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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eletrodo eletrodo
Superfície “flat” Superfície “rugosa”
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Nanomateriais em Eletrocromismo
1 cubo de lado m
Volume: m3
Área superficial: 6 x m2
8 cubos de lado m/2
Volume: m3
Área superficial: 12 x m2
64 cubos de lado m/4
Volume: m3
Área superficial: 24 x m2
1 cubo de lado m
Volume: m3
Área superficial: 6 x m2
8 cubos de lado m/2
Volume: m3
Área superficial: 12 x m2
64 cubos de lado m/4
Volume: m3
Área superficial: 24 x m2
Intensificação dos processos controlados por processos superficiais, ou seja, os fenômenos de transporte se tornam mais rápidos, além de uma
maior quantidade de sítios ativos ópticos expostos ao eletrólito
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Introdução Eletrocromismo
Controlar as propriedades ópticas de um material eletroquimicamente.
ELETROCROMISMO
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
+
ECM
+ +
+
+
+
+
+
sofre redução, ou seja, ganha uma carga negativa, alterando sua coloração (ECM-)
ECM-
Para que esta carga seja estabilizada, íons de carga contrária devem ser inseridos na matriz do material
ECM- / M+
-
-
-
-
-
-
-
-
Para reverter o processo, o material deverá ser oxidado e desta forma as cargas positivas deverão
ser expelidas.
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P. Bonhote et al. / Displays 20 (1999) 137–144
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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Embora TiO2 seja um material eletrocrômico (h = 8 C-1 cm2), esta propriedade não é utilizada nos exemplos citados acima, onde a única utilização de sua arquitetura
nanométrica está centrada na grande área de adsorção dos cromóforos
e se..... O material nanométrico também participasse da variação de cores?
Nanomateriais em Eletrocromismo
Nanochromics:Nanochromics:
V2O5, WO3, NiO.H2O, CoO, ..., MO
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos
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0.0
0.5
1.0
400 500 600 700 8000.0
0.5
1.0
(A)
(B)
Coloured
Bleached
Abso
rban
ce /
au
Position A
Position B
Position C
Wavelength / nm
CQ049 : FQ IV - Eletroquímica Modificação de eletrodos