Плёнки Лэнгмюра-Блоджетт, содержащие электрохимически активные компоненты тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Иванов Никита Сергеевич

ПЛЁНКИ ЛЭНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ, СОДЕРЖАЩИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ (ПРОИЗВОДНЫЕ ФЕРРОЦЕНА, БЕРЛИНСКУЮ ЛАЗУРЬ И ЕЁ АНАЛОГИ)

Специальность 02.00.11 - коллоидная химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

005056968

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

1 3 ДЕК 2012

005056968

Работа выполнена на кафедре коллоидной химии химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель:

Суходолов Николай Геннадьевич к.х.н., доцент Санкт-Петербургского государственного университета

Официальные оппоненты:

Пендин Андрей Анатольевич

д.х.н., профессор Санкт-Петербургского государственного университета

Лобачева Ольга Леонидовна

к.х.н., доцент Санкт-Петербургского горного

института.

Ведущая организация:

Санкт-Петербургская химико-фармацевтическая академия, г. Санкт-Петербург.

№ -и 2012 г. в / Гч

Защита состоится _2012 г. в ! 7 часов на заседании диссертационного совета

Д 212.232.40 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199004 Санкт-Петербург, Средний проспект В.О., д.41/43, БХА.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького СПбГУ, Университетская наб., 7/9

Автореферат разослан " 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук, профессор

А.Н. Жуков

Исследования гибридных материалов, в которых совмещены свойства органических и неорганических веществ, набирают всё большую популярность. Такие материалы могут быть получены путем прямого синтеза, кристаллизации, самоорганизации или методом Лэнгмюра-Блоджетт. Метод Лэнгмюра-Блождетг (Л-Б) позволяет достаточно просто изменять свойства пленок, меняя структуру полярной части амфифильной молекулы, состав монослоя, состав раствора (субфазы) и условия переноса на твердую подложку. Всё это делает возможным получение органических пленочных покрытий с характерными для неорганических веществ свойствами.

Берлинская лазурь (БЛ) - широко известное вещество, благодаря строению кристаллической решетки, обладает ионообменной способностью. Структура берлинской лазури и гексацианоферратов металлов представляет собой кубическую гранецентрированную решетку, в которой атомы металлов соединены мостиками. Благодаря дефектам решетка имеет небольшой отрицательный заряд, а размер полостей позволяет проникать в структуру молекулам воды и катионам, участвующим в реакции окисления-восстановления (ОВР) железа, что делает гексацианоферраты привлекательными для создания электрохимических датчиков.

Модификация органического монослоя гексацианоферратами металлов привлекательна с точки зрения создания пленочных электродов с высокой концентрацией активных центров и низким временем отклика. К тому же электрохимическая система нерастворима в воде, что делает возможным её использование в технологиях, где требуется высокая чистота исследуемого раствора.

Помимо берлинской лазури, переход Ре+2/Ре+3 осуществляется в соединениях ферроценового ряда. Скорость одноэлектронного обмена (Ис 1'с + е") между окисленной и восстановленной формами ферроцена очень высока как в гомогенной, так и в гетерогенной ОВР. Большой ионный радиус, малый заряд и сферическая структура ферроценового ядра, практическая нерастворимость ферроцена в воде и водных растворах электролитов (менее 10"6 моль/л), малая растворимость солей феррицениевых форм, в частности апкильных, с анионами большого размера, которая быстро изменяется с увеличением числа углеродных атомов в алкильном заместителе, позволяет выделить этот класс веществ в качестве электродоактивных для различных электродных систем. Следует отметить, что потенциал электрода с использованием системы РсЛ'с^, в качестве электродного материала не будет зависеть от рН, поскольку ни алкилферроценовые, ни алкилферрицениевые соединения не проявляют кислотно-основных свойств в водных растворах электролитов.

Ферроценсодержащие соединения по условиям синтеза, как правило, получают в восстановленной форме. Для практического использования этой электрохимической системы важно иметь достаточно устойчивые окисленные формы. Получение ферриценильной формы путём действия раствора окислителя на твёрдый ферроцен часто сопровождается частичным или полным разрушением радикалов или катионов феррицения. Значительно лучшие результаты даёт метод жидкофазного окисления, который, впрочем, осложнен необходимостью использования неполярных растворителей. Если и удается подобрать органическую фазу, в которой ферроцен и феррицений имеют удовлетворительную растворимость, то возникает сложность в реализации равновесия электродной

3

реакции, так как ток обмена в такой системе может оказаться исчезающе малым. В такой ситуации часто применяют вещества - медиаторы, функция которых -способствовать быстрому обмену электронов между нерастворимыми ферроценсодержащими веществами и электродами, связывая их и действуя, таким образом, как носитель. К медиатору предъявляется достаточно обширный перечень требований:

1. Возможность быстро вступать в обратимые окислительно-восстановительные взаимодействия с ферроцен/феррициниевой системой и электродами

2. Устойчивость в условиях эксперимента

3. Способность функционировать при концентрации достаточно низкой, чтобы заметно не влиять на форму кривой титрования исследуемой системы.

4. Малая сорбция на обеих формах окислительно-восстановительной системы

5. Близость формального потенциала к измеряемому потенциалу в гетерогенной системе.

6. Хорошая растворимость обеих форм медиатора в воде.

Эти требования делают измерения существенно более трудоёмкими, чем обычные потенциометрические измерения.

В связи с этим разрабатываются способы реализации равновесий электродных реакций, в которых не используется медиатор. Алкилпроизводные ферроцена с большим числом атомов углерода в радикалах представляют собой амфифильные вещества, которые довольно просто могут быть перенесены на поверхность электрода Л-Б методом и, затем, электрохимически восстановлены. Таким образом, снимается проблема растворимости форм производных ферроцена и может быть получен нерастворимый тонкий плёночный электрод.

Метод Лэнгмюра-Блоджетт является привлекательным методом для создания электрохимических датчиков. Этот метод прост и дешев, он позволяет наносить тонкий слой материала, уменьшая время отклика электрода при сохранении минимального сопротивления покрытия, а также обеспечивает надежный контакт материала электрода с электродом сравнения.

Цель работы. Получение электрохимических систем на основе плёнок Лэнгмюра-Блоджетт, содержащих гексацианоферраты металлов и производные ферроцена.

Научная новизна заключается в том, что:

1. Разработана методика синтеза берлинской лазури и ее аналогов в монослое.

2. Исследованы изотермы сжатия гибридных монослоёв, содержащих берлинскую лазурь, ее аналоги и производные ферроцена, и определены оптимальные условия переноса таких монослоёв на твердую подложку.

3. Получены мономолекулярные слои октадециламина, модифицированного берлинской лазурью и ее аналогами, и производных ферроцена на твердой подложке.

4. Определены зависимости потенциала электрода на основе берлинской лазури и ее аналогов от концентрации ионов К+, Ыа+, МН4+ Св+ и М§2+.

5. Рассчитаны значения стандартных электродных потенциалов для электродов на основе производных ферроцена.

Практическая ценность: плёночные электроды на основе берлинской лазури и ее аналогов могут быть использованы при проведении количественного химического анализа. Использование электродной системы на основе производных ферроцена в качестве электрода сравнения имеет ряд преимуществ по сравнению с другими электродами сравнения типа хлоридсеребряного. При использовании предлагаемого электрода сравнения значительно в меньшей степени проявляются неопределенности в измерениях ЭДС гальванических элементов с переносом, связанные с диффузионным потенциалом. Кроме того, исследуемый раствор не загрязняется соединениями, присутствующими в электролитическом ключе (как, например, КС1). Л-Б метод получения плёночных электродов позволяет разрабатывать электродные системы сравнения и электроды II рода, обратимые к анионным ПАВ.

Публикации: по материалам работы опубликованы 2 статьи и 3 тезисов докладов.

Апробация работы: материалы работы были представлены на конференции «Основные тенденции развития химии в начале XXI века» (СПб 2009), международной конференции по низкоразмерным магнитным системам (Сочи 2010), конференции «Менделеев-2012» (СПб 2012).

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика получения берлинской лазури и ее аналогов в монослое. Анализ изотерм сжатия, данных спектрофотометрии и микроскопии Брюстера для определения оптимальных условий переноса монослоёв на твердую подложку.

2. Данные о структуре, перенесенных на твёрдую подложку монослоёв, полученных с помощью атомной силовой микроскопии.

3. Потенциометрические исследования электродных систем на основе пленок, содержащих аналоги берлинской лазури.

4. Анализ изотерм сжатия монослоёв производных ферроцена и выбор оптимальных условий их переноса на твёрдую подложку.

5. Использование электродных систем на основе производных ферроцена в качестве электрода сравнения и в качестве электрода II рода, обратимого к анионным ПАВ.

Объем и структура работы: Работа представлена на 120 страницах и состоит из введения, литературного обзора, 2 глав и списка литературы (239 наименований).

Основное содержание работы.

Во введении сформулирована цель и задачи исследования, обоснована актуальность темы, изложены новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

Обзор литературы

Представлен обзор литературы о методах синтеза в мономолекулярных пленках и пленках Лэнгмюра-Блождетт. Синтез непосредственно в монослое может быть осуществлен за счет ковалентного связывания противоположно заряженных ионов, донорно-акцепторного, электростатического взаимодействия или взаимодействия под действием сил Ван-дер-Ваальса, что ограничивает круг используемых веществ. Рассмотрены методы получения устойчивых монослоев из неамифифильных, легко- и труднорастворимых веществ, а также

5

пленкообразующее действие ПАВ для неамфифильных соединений. Вещества, образующие стабильные монослои с заданными свойствами, могут быть также получены путем синтеза в ограническом растворителе перед нанесением на субфазу.

Учитывая, что Л-Б метод является структурирующим методом, рассмотрены факторы, влияющие на равномерное распределение частиц в монослое и ПЛБ и на образование гладкой или рельефной поверхности при переносе на твердую подложку.

Экспериментальная часть.

Описаны используемые в работе реагенты, приборы и их калибровка, физико-химические методы исследования полученных объектов, методы обработки экспериментальных данных.

Получение берлинской лазури и её аналогов в монослое и последующий перенос МС на твердую подложку по методу Лэнгмюра-Блоджетг производился следующим образом. На поверхность раствора гексацианоферрата (II) или (III) калия (в зависимости от состава соли, которую необходимо получить) наносится монослой октадециламина (ОДА). При низких значениях рН раствора за счет протонирования аминногруппы монослой заряжен положительно и притягивает к поверхности комплексные анионы соли, компенсируя свой заряд. Затем, сквозь монослой шприцем впрыскивается раствор, содержащий катионы металла, необходимые для получения нерастворимого ферроцианида. О прохождении процесса непосредственно в монослое можно судить по изотермам сжатия и данным фотометрии. Были проведены исследования по получению БЛ в монослое и её переносу на твердую подложку по методу Л-Б, подобраны оптимальные условия переноса.

На рис. 1 представлена изотерма сжатия октадециламина, полученная на воде при рН = 4,0. В результате взаимодействия монослоя с гексацианоферрат-анионами уменьшается упругость монослоя (рис. 1, кривая 2), поскольку комплексные анионы могут уходить в объем раствора при его сжатии. На рис. I видно, что при высоких значениях поверхностного давления из-за уменьшения заряда монослоя площадь, занимаемая одной молекулой октадециламина, меньше её площади на чистой воде. При небольших значениях поверхностного давления добавление гексацианоферрата калия в раствор субфазы приводит к расширению монослоя.

70

60

50

1-ода/н2о

2 - - - ОДАЖ,[Ре(СМу

3----ОДАЛгеа[Ре(СМ)в1г

Рис. 1. Изотермы сжатия октадециламина:

1 - на воде при рН = 4,0,

2 - на растворе гексацианоферрата калия (С = 10"4 моль/л),

3 - после получения берлинской лазури в монослое.

о

0.0 0.20 0.40 0.60 0.80

. 2 А, им

После добавления в раствор хлорида железа (III) площадь монослоя увеличилась (рис. 1, кривая 3), по сравнению с площадью монослоя ОДА на подкисленной воде. Восстановление

упругости связано с восстановлением заряда монослоя. Кроме того, давление коллапса (46 мН/м) не изменилось по сравнению с давлением коллапса октадециламина на подкисленной воде, что позволяет переносить модифицированные гексацианоферратом железа монослои на твердую подложку.

Для оценки времени, необходимого на образование гексацианоферратов в монослое были сняты спектры поглощения смесей реагентов в концентрациях, близких к концентрациям в ванне Лэнгмюра (5-10"5 моль/л, 10"4 моль/л). Комплекс гексацианоферрата железа окрашен в синий цвет, поэтому можно наблюдать, как с течением времени (1-70 мин.) увеличивается пик в районе 730 нм (рис. 2). Исследование зависимости оптической плотности раствора Ре4[Ре(СЫ)6]3 от времени (рис. 3) также показало, что на образование комплекса при низких концентрациях требуется 40 - 50 минут.

X, нм

Рис. 2. Спектры поглощения Fe4|Fe(CN)6|3 С = 10 4 моль/л.

0,75 0,70 0,65 о.ео 0,55

МИН

Рис. 3. Зависимость оптической плотности раствора Ре4|Ке(С1Ч)6Ь от времени.

1 -эквимолярная смесь С = 5-10 5 моль/л;

2 - эквимолярная смесь С = 1 • 10"4 моль/л.

На рис. 4 представлены изотермы сжатия ОДА на растворе гесацианоферрата (III) калия. После добавления хлорида кобальта и выдерживания монослоя в течение 60 минут наблюдается увеличение его площади. Это связано с образованием нерастворимых гексацианоферратов (аналогов берлинской лазури), в монослое, который может быть перенесен на твёрдую подложку по методу JI-Б. Время, в течение которого образуется нерастворимый комплекс в монослое, выбрано исходя из кинетических измерений. Фотометрически была исследована смесь реагентов K3Fe(CN)6 + СоС12 (рис. 5) начиная с момента их смешения. Растворы были взяты в концентрациях, близких к концентрациям в ванне Лэнгмюра. Из полученных данных видно, что соединение образуется в растворе за 50 - 60 минут (рис. 6).

Результаты фотометрических исследований растворов гексацианоферратов (II) и (III) с ионом Си+2 представлены на рис. 7 и рис. 8 соответственно.

По кривым 1 и 2 рис. 7 можно судить о том, что гексацианоферрат (II) меди образуется достаточно быстро. Максимум поглощения наблюдается при длине волны 480 нм.

300 400 500 600 700 800 900 X, нм

Рис. 8. Спектр поглощения K3Fe(CN)6 + CuCl2. 1 - спектр поглощения K3Fe(CN)6 5-Ю"4 моль/л, 2 - эквимолярная смесь реагентов концентрации 5-Ю"4 моль/л.

500 600 700 X, нм

Рис. 5. Спектр поглощения K3Fe(CN)6 + СоС12 (эквимолярная смесь 5-10"4 моль/л)

Рис. 7. Спектр поношения К_|Ре(СМ)6 + СиС1г.

1 — смесь реагентов произвольной высокой концентрации,

2 - смесь реагентов произвольной низкой концентрации,

3 - эквимолярная смесь реагентов концентрации 5-10 1 моль/л

-10-1-1---1-----1---1-

0.0 0.20 0.40 0.60 0.80

А, нм2

Рис. 9. Изотермы сжатия октадециламина на растворе на растворе гексацианоферрата (III) калия при рН = 4,0.

0.0 0.20 0.40 0.60 0.80 А, нм2

Рис. 4. Изотермы сжатия октадециламина на растворе гексацианоферрата калия при рН = 4,1.

0,20-1---,---,---,---,---1---г-

0 10 20 30 40 50 60 мин

Рис. 6. Зависимость оптической плотности раствора К3Ре(С1Ч)6 + СоС12 от времени

1.6

-OflA/K3[Fe(CNg

----OflA/CuJ[Fe(CN)6]2

-OflA/K3Fe(CN)5

---- OflA/K3[Fe(CN)6]2+CoCI2

Но шесть спектров растворов с концентрациями реагентов близкими к концентрациям в ванне Лэнгмюра, снятых через равные промежутки времени от момента смешения, во-первых, сливаются в одну кривую, а, во-вторых, не дают интенсивного пика, характерного для этого соединения. Таким образом, получение гексацианоферрата (II) меди в монослое и ПЛБ предложенным способом затруднительно.

На рис. 8 представлены спектры поглощения гексацианоферрата (III) калия и эквимолярных смесей (5 10"4 моль/л) гексацианоферрата калия с хлоридом меди. При добавлении хлорида меди интенсивность пика кривой 1 чистого гексацианоферрата (III) калия уменьшается, что связано с уменьшением концентрации этой соли из-за образования гексацианоферрата (III) меди.

Изотермы сжатия монослоя ОДА на растворе гексацианоферрата (III) калия с добавлением соли меди представлены на рис. 9. Как и в случае с кобальтом и железом наблюдается увеличение площади, приходящейся на молекулу, при добавлении ионов меди, что свидетельствует об образовании гексацианоферрата (III) меди в монослое.

Образование гексацианоферратов было исследовано с помощью микроскопии Брюстера (ВАМ). На полученных фотографиях монослоя ОДА на растворе K4Fe(CN)6+ FeCl3 при давлении -25 мН/м видно как с течением времени в монослое образуются и увеличиваются кристаллические образования (рис. 10). В плёнках, модифицированных медью и кобальтом также наблюдается рост кристаллов, однако структуры более рыхлые, по сравнению с берлинской лазурью.

Рис. 10. Микрофотографии монослоя ОДА/Берлннская лазурь.

Следующим этапом работы был перенос модифицированных монослоев на твердые подложки. Для исследований методом атомно-силовой микроскопии (АРМ) были взяты подложки с токопроводящим слоем оксида олова, допированного индием. Токопроводящий слой необходим для электрохимических исследований, но как показали дальнейшие эксперименты, потенциал на этих подложках менее стабилен, чем на подложках со слоем чистого оксида олова, полученных нами ранее, поэтому электрохимические эксперименты были проведены именно па них.

После выдерживания монослоя смеси октадециламина с гексацианоферратом на поверхности субфазы в течение 50-60 минут, необходимых для образования соединений, на подложку наносился один монослой, при движении подложки вверх из субфазы. Это приводило к тому, что полярные головы молекул октадециламина вместе с образованными гексацианоферратами располагались непосредственно на токопроводящем слое.

Поверхность подложки без ПЛБ достаточно ровная. Неровности не превышают 4 нм в высоту. При нанесении слоя октадециламина характер поверхности меняется (рис. 11). Наблюдается регулярная структура, толщина плёнки составляет порядка 12-15 нм (рис. 13). Изображения поверхности подложки с пленками ОДА/Ре4[Ре(СЫ)6]3 и ОДА/Си3[Ре(СМ)6]2 сходны между собой (рис. 12, рис. 14).

В случае ОДА/Со3[Ре(СМ)6]2 спектрофотометрические исследования, изотермы сжатия и микроскопия Брюстера указывают на то, что соединение в монослое образуется достаточно хорошо. Но, по данным АРМ, высота неровностей этого образца не превышает 8 - 10 нм (рис. 15). Эти значения близки к шероховатости подложки без ПЛБ (рис. 11), поэтому нельзя говорить об успешном переносе монослоев октадециламина, модифицированных гексацианоферратом кобальта. Очевидно, что плёнка не переносится на твердую подложку, рыхлость структуры не способствует её переносу.

Рис. 11. АРМ изображение подложки без ПЛБ

Рис. 12. АРМ изображение одного слоя ОДА/Ге4[Ре(С]М)6]3.

¡шшшш

Г1кк (ЦМ ВчПоп- Рорир МслиАаЬсЬ (СИЛ 1еЧВивсл - АМ Се! - С

Рис. 13. Профиль поверхности одного слоя ОДА/Ре4[Ре(С>))бЬ.

Рис. 14. АРМ изображение одного слоя ОДА/Си31Ре(С^6]2.

Рис. 15. АРМ изображение одного слоя ОДА/Соз1Ре(С№)б12-

После переноса плёнок на твердую подложку были проведены потенциометрические измерения. Электрохимические реакции с участием пленки малорастворимой берлинской лазури (и её аналогов), нанесенной на электрод, протекают с участием катионов фонового электролита, которые поступают в плёнку из раствора при её восстановлении и выводятся из неё при окислении. Стабильность окисленной и восстановленной формы плёнки позволяет создавать на её основе химические датчики. Как указано выше электрод представляет собой стеклянную подложку с токопроводящим гидрофобным слоем оксида олова, на который нанесена ПЛБ.

Результаты потенциометрических измерений пленки ОДА/Ре4|Те(СМ)6]з представлены на рис. 16. Тангенс угла наклона прямой составляет 50±3 мВ, что соответствует электрохимическому процессу с участием одного электрона. Сходная картина наблюдается на плёнке ОДА/Си3[Ре(С^6]2 (рис. 17). Прямолинейная зависимость наблюдается только в области высоких концентраций, угол наклона прямой составляет 55±3 мВ.

50±3 мВ

1.0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 1,0

-'9ак-

Рис. 16. Зависимость потенциала электрода ОДА/Ре4|Ре(С1Ч)6|3 от активности К+.

55±3 мВ

Рис. 17. 'Зависимость потенциала электрода ОДА/Си3[Ре(С1Ч)6]2 от активности К+.

На рис. 18 представлены зависимости потенциала электродной системы на основе ПЛБ О ДА/Ре4 [Ре(СЫ)6]з в растворах,

содержащих различные концентрации ионов Ыа+, Ш4+ Сэ"1" и Mg2+. Наиболее близкие значения тангенса угла наклона прямых к теоретическим значениям наблюдаются в растворах ионов К+ и Тч1Н4+ (рис. 16 и рис. 18). Отклонения от теоретических значений потенциала в растворах ионов Се и вероятно, связано с их

удерживанием в структуре плёнки.

Рис. 18. Зависимость потенциала электрода C^A/Fe4|Fe(CN)6b от активности ионов.

Помимо гексацианоферратов, перспективной электрохимической системой являются ПЛБ, содержащие производные ферроцена. Ферроцен легко и обратимо окисляется электролитически с образованием феррицений-катиона

Cp2Fe Cp2Fe+ + е, (1)

который с анионами образует водорастворимые соли. Введение электрондонорных заместителей (например, алкильных) в пентадиенильное кольцо феррицинильного ядра значительно увеличивает устойчивость последнего к процессам разрушения. Поэтому структура ядра алкилпроизводного ферроцена практически не меняется при его окислении и можно сделать предположение о высокой скорости реакции обмена электрона в такой системе. Таким образом, с помощью производных ферроцена, возможно создание нерастворимых электрохимических систем с высоким током обмена.

С целью получения пленочного электрода исследованы изотермы сжатия гептадеканоилферроцена Fc-CO-Ci6H33 (RiFc), нонадеканоилферроцена Fc-CO-С18Н37 (RnFc) и октадецилферроцена FcCi8H37 (RmFc). На рис. 19 представлены изотермы сжатия этих производных ферроцена. Наиболее подходящими для получения ПЛБ являются гептадеканоилферроцен (RiFc) и нонадеканоилферроцен (RuFc), поскольку они обладают большей упругостью по сравнению с октадецилферроценом (RmFc). Это связано с наличием кислорода в молекулах этих соединений - полярные головы соединений RiFc и RnFc более гидрофильны чем у соединения RIUFc. Принимая во внимание оба фактора, следует ожидать, что их монослои будут переноситься на твердую подложку с большей степенью переноса. Действительно, монослои соединениий RFc, RnFc удалось не только перенести на стеклянную подложку, покрытую Sn02, но и получить из них ПЛБ, содержащие по 10 монослоев. Но, в дальнейшем, после электрохимического окисления полученных структур, необходимого для создания Red-Ox систем, потенциалы электродных систем с RiFc, RrlFc оказались неустойчивыми, что может быть связано с отщеплением боковой цепи от ферроценового ядра в R^c, RnFc при

их электрохимическом окислении. Добиться надежного переноса монослоев ЯшИс при рН = 6,2 не удалось.

25

А, нм

О -,-,-,---г-

0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

А, нмг

Рис. 19. Изотермы сжатия Рс-СО-С16Н33 (кривая 1), Рс-СО-С18Нз7 (кривая 2) и РсС18Н37 (кривая 3) при рН = 6,2.

Рис. 20. Изотермы сжатия FcCI8H37 при рИ = 4 (кривая 1) и рН = 6,2 (кривая 2).

Для выбора оптимальных условий переноса октадецилферроцена на твердую подложку были сняты изотермы сжатия при рН = 6,2 и рН = 4,0 (рис. 20). При рН = 4,0 на изотерме сжатия при давлении 12,5 мН/м наблюдается излом, что, по всей видимости, свидетельствует о перегруппировке ферроценовых ядер в монослое. Также наблюдается более высокое значение давления коллапса (21 мН/м, в отличии от 14 мН/м при рН = 6,2), что позволяет более эффективно переносить монослой октадецилферроцена на твердую подложку.

Таким образом, подобраны оптимальные условия переноса монослоёв производных ферроцена на твердую подложку. Монослои производных ферроцена наносились по методу J1—Б на стеклянную пластинку с нанесенным на одну из сторон токопроводящим слоем Sn02. Перенос осуществлялся только при движении подложки через границу раздела сверху вниз. Затем монослой убирался с поверхности жидкости для того, чтобы при движении подложки вверх не происходило переноса второго слоя. Таким образом, получен мономолекулярный слой производного ферроцена на твердой подложке.

После нанесения ферроцена на пластинку была создана Red-Ox система, т.е. получена окисленная форма ферроцена. Так как окисленная форма представляет собой катион с малой плотностью заряда, то её необходимо стабилизировать анионами большого размера. В работе были использованы анионы нонафторизовалериановой кислоты ((CF3)2CFCF2COOH) и анионы стеариновой кислоты (С17Н35СООН), являющейся поверхностно-активным веществом. Эти анионы оказывают наиболее стабилизирующее действие. В первом случае окисление производилось с помощью платинового электрода, который опускался в раствор нонафторизовалериановой кислоты (С=10"3 моль/л) вместе с ферроценовым электродом, в течение 3-х минут.

При стабилизации феррицений-катиона анионом стеариновой кислоты методика нанесения претерпевала некоторые изменения. Перенос монослоя производного ферроцена осуществлялся описанным выше способом (т.е. при

движении подложки вниз), но электрохимическое окисление производилось в растворе субфазы при рН = 4. После чего, пластина была снова погружена, и на поверхность субфазы был нанесен монослой стеариновой кислоты. При движении подложки вверх монослой переносился на подложку, образуя мультимолекулярную структуру У-типа. Такой тип структуры позволяет наиболее близко расположить феррицений катионы и стабилизирующие анионы стеариновой кислоты.

Потенциометрические измерения проводились с использованием потенциометра И-130 при (20±2)°С. В качестве рН-метрического электрода использовался стеклянный электрод марки ЭСЛ-515, предварительно прокалиброванный в стандартных рН-буферных растворах, а электродом сравнения служил хлоридсеребрянный электрод типа ЭВЛ-1М. Схема гальванического электрода I:

Исследуемый рН- I Стеклянная мембрана 10.1 н НС1

буферный раствор | с Н+-функцией | -АцС1 | 8 ^

рС1 .КСКнас)

Для исследования свойств полученных электродов с ММС (RFc-RFcA где А = St\Val") на Sn02 были использованы гальванические элемены II и III:

Agl Ga

Sn02

I Исследуемый pH- (Стеклянная мембрана R-FcSt I буферный раствор Ic Н+-функцией

0.1 н HCl AgCI

Ag

(II)

Ag

AgCI .КСКнас)

Исследуемый раствор

(CF3)2CFCF2COOK

RFc OOC-C4F9

Sn02

Ga

Ag

(III)

В качестве электрода II рода, обратимого к УаГ -аниону использовался следующий гальванический элемент (IV): Исследуемый

Ag

AgCI .КСКнас)

раствор (CF3)2CFCF2COOK

RFc OOC-C4F,

Sn02

Ga

Ag

(IV)

Электрохимическая реакция, происходящая на поверхности Sn02 при прохождении тока из пластины Sn02 в водный раствор, заключается в процессе одноэлектронного окисления RmFc в катион RmFc :

RniFc RmFc+ + е\ (2)

которые затем взаимодействуют с А" (где А' = St', F9Val" ) с образованием RFcA, и общая реакция

RnlFc + A"5=i:R„iFcA + e\ (3)

Стеариновая кислота HSt практически нерастворима, что позволяет использовать Red-Ox систему RIUFc - RmFcSt, нанесенную в виде ПЛБ на поверхность Sn02, в качестве электродов сравнения при потенциометрических измерениях.

На рисунке 19 представлены калибровочные кривые рН-метрического стеклянного электрода в рН-буферных растворах с использованием в качестве электродов сравнения хлоридсеребряный электрод (гальванический элемент I кривая 1), электродную систему Sn02| RniFc - RmFcSt (гальванический элемент II кривая 2) и электродную систему Sn02| RmFc - RniFcF9Val (гальванический элемент III кривая 3).

4 5

рн

Рис. 21. Зависимость потенциала от рН раствора.

1 - стеклянный электрод относительно хлоридсеребряного,

2 - стеклянный электрод относительно

3 - стеклянный электрод относительно К,„ГеГ,Уа1.

ЭДС гальванических элементов I, II и III подчиняется уравнению

Е[ (п,1п)= Е°1(1иП)+0 ^ ан+, (4)

где 9=0.058В при 20°С. Величина dEI (П,ш) / <1 1§аи+ = (0,057±0,003) В, что соответствует теоретической и позволяет предложить электродные системы ЯщРс - Я^ГсБ! и ЯщФ - ЧщРсРдУа! в качестве электродных систем сравнения.

Для электродной системы, стабилизированной нанофторизовалериановой кислотой, был рассчитан стандартный электродный потенциал Е°. Из изотерм сжатия (Рис. 20), экстраполяцией первого прямолинейного участка (при низких давлениях), получена площадь, занимаемая одной молекулой октадецилферроцена в монослое, которая составила 0,34 нм2. Зная площадь электрода и количество электричества, пошедшего на окисление октадецилферроцена, найдена доля окисленной формы производного ферроцена, она составила 0,1. Далее из уравнения Е = ф°сгекл ЭЛ-Д+ 0 ан+ - Ф°ферр м-д - 0 а, где а= [КшГс+] /[ К|г[Рс] (5) было рассчитано значение стандартного электродного потенциала системы КшРс - КшРсР9Уа1, равное (0,360±5) В.

Для системы ИшРс - К1ПРс81 из-за практически полной нерастворимости пленок стеариновой кислоты рассчитать стандартный электродный потенциал не удалось. Необходимо отметить, что использование данного электрода возможно в растворах с рН < 7. В более щелочных растворах не удается получить стабильные значения потенциала, что, очевидно, связано с гидролитическим разрушением феррицениевых катионов. Несмотря на этот недостаток, использование электродной системы 8пСЬ| ЯшКс - ЯщРсв! в качестве электрода сравнения имеет ряд преимуществ по сравнению с электродами сравнения типа хлоридсеребрянного. При использовании предлагаемого электрода сравнения (электрод II) значительно в меньшей степени проявляются неопределенности в измерениях ЭДС гальванических элементов с переносом, связанные с диффузионным потенциалом. Кроме того, исследуемый раствор не загрязняется соединениями, присутствующими в электролитическом ключе, например КС1 как для электрода I.

Возможность реализации электродов II рода на основе полученных ПЛБ была исследована на примере электродной системы 8п02| КшФ - 11шФР9УаГ, Р9УаГ,

анион Р9УаГ является анионом сильной кислоты НР9Уа1 и поэтому можно предположить, что соль КР9Уа1 в водных растворах диссоциирована нацело. На

Ш 0,25 Ш

0,20

рис. 22 представлена зависимость ЭДС гальванического элемента IV от логарифма активности Р9УаГ. ЭДС гальванического элемента IV

Е1У = Е°-е1ёа±(КР9Уа1) (6)

Значение величины с!Н1У / а±(КР9Уа1) прямолинейного участка равна (0,059±0,002)В, что соответствует теоретической.

Таким образом, показана возможность получения ПЛБ с ферроценсодержащими соединениями с последующим их электрохимическим окислением и стабилизацией анионными ПАВ, что позволяет разрабатывать электродные системы сравнения и электроды II рода, обратимые к анионным ПАВ.

2,0

2,8

3,2

3,6

-1д а.(Р„\/аГ)

Рис. 22. Зависимость ЭДС гальванического элемента IV от логарифма активности Р9УаГ.

Выводы:

1. С целью получения аналогов берлинской лазури в монослое была разработана методика последовательного введения реагентов в субфазу.

2. С помощью анализа изотерм сжатия, данных спектрофотометрии и микроскопии Брюстера подтверждено образование аналогов берлинской лазури в монослое в течение 40-60 минут с момента смешения реагентов.

3. По данным атомной силовой микроскопии, перенос гибридных монослоев проходит с сохранением регулярных структур для ОДА/Ре4[Ре(С1Ч)6]3 и ОДЛ/Си3[Рс(СН)6]2.

4. Для электрода на основе ОДА/Ре4[Ре(СМ)б]з наблюдаются прямолинейные зависимости потенциала пленки от активности ионов К+, Ыа+, N11^ и Наиболее близкие значения тангенса угла наклона к теоретическим значениям (50±3 мВ) наблюдаются в растворах ионов К+ и МН4+.

5. Для электрода на основе ОДА/Си3[Ре(СМ)б]2. наблюдается прямая зависимость потенциала пленки от активности ионов К+ только в области высоких концентраций (до 5-10*3 моль/л) с углом наклона прямой 55±3 мВ.

6. Исследованы поверхностные свойства монослоев ферроценсодержащих соединений и показана возможность получения ПЛБ на их основе с последующим электрохимическим окислением и стабилизацией анионными ПАВ, что позволяет разрабатывать электродные системы сравнения и электроды II рода, обратимые к анионным ПАВ.

7. Рассчитано значение стандартного электродного потенциала системы октадецилферроцен, стабилизированный анионами нанофторизовалериановой кислоты. Показана возможность использования системы октадецилферроцен, стабилизированный анионами стеариновой кислоты в качестве электрода сравнения.

Основное содержание работы изложено в следующих работах:

1. Е.А.Рожкова, И.А.Краснов, Н.Г.Суходолов, Н.С. Иванов и др. Исследование свойств наноструктур (плёнок Лэнгмюра-Блоджетт), содержащих ионы железа, и определение их состава с привлечением методов масс-спектрометрии. Научное приборостроение 2008, Т. 18. № 4. С. 54-61

2. Н. С. Иванов, Н. Г. Суходолов, А. И. Янклович, Получение плёнок Лэнгмюра-Блоджетт, содержащих берлинскую лазурь, Тезисы конференции «Основные тенденции развития химии вначале ХХ1-го века». 2009 г. СПб с. 308.

3. Н. С. Иванов, Н. Г. Суходолов, А. И. Янклович, «Получение плёнок Лэнгмюра-Блоджетт, содержащих берлинскую лазурь», Вестник СПбГУ. Сер. 4, 2010, вып. 4, с. 87-92.

4. Е.А.Рожкова, Н.Г.Суходолов, А.А.Селютин, Н.С.Иванов, А.И.Янклович, А.О.Козин «Влияние регулярности структуры на магнитные свойства пленок Лэнгмюра-Блоджетт, содержащих ионы железа» в материалах Второго

междисциплинарного симпозиума «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» 2010 г. Сочи. С.248 5. Иванов Н.С., Янклович М.А. «Электрохимические системы на основе плёнок Лэнгмюра-Блоджетг, содержащих гексацианоферраты», тезисы конференции «Менделеев - 2012». 2012 г. СПб, с 53.

Введение.

Обзор литературы.

Неорганические соединения в плёнках Лэнгмюра-Блоджетт.

ПЛБ, содержащие ионы трехвалентных металлов.

Углеродные нанотрубки.

Полиоксометаллаты.

Неорганические соединения в монослоях на границе жидкость-жидкость.

Неорганические ПЛБ на твердых подложках.

Аналоги берлинской лазури (АБЛ).

Органические-неорганические соединения в плёнках Лэнгмюра-Блоджетт.

Полимерные плёнки Лэнгмюра-Блоджетт.

Производные ферроцена в плёнках Лэнгмюра-Блоджетт.

Экспериментальная часть.

Реактивы.

Калибровка установки Лэнгмюра.

Общие методики эксперимента.

Изучение изотерм сжатия.

Получение гексацианоферратов металлов в монослое.

Спектрофотометрические измерения.

Микроскопия под углом Брюстера.

Получение моно- и полимолекулярных слоев на твёрдой подложке.

Потенциометрические измерения.

Атомная силовая микроскопия.

Результаты и их обсуждение.

Спектры поглощения.

Исследование изотерм сжатия монослоёв октадециламина.

Микроскопия под углом Брюстера.

Атомная силовая микроскопия (АСМ).

Электрохимические исследования пленок Лэнгмюра-Блоджетт, содержащих гексацианоферраты железа и меди.

Исследование изотерм сжатия производных ферроцена.

Электрохимические исследования пленок Лэнгмюра-Блоджетт производных ферроцена.

Выводы:.