Báo cáo tóm tắt Đề tài Nghiên cứu tổng hợp hợp chất dẫn điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỢP CHẤT DẪN ĐIỆN TỪ

TETRACYANOQUINONDIMETAN (TCNQ)

Mã số: Đ2014-03-63

Chủ nhiệm đề tài: Ths Trần Đức Mạnh

Đà Nẵng, Tháng 11 Năm 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỢP CHẤT DẪN ĐIỆN TỪ

TETRACYANOQUINONDIMETAN (TCNQ)

Mã số: Đ2014-03-63

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài

Chủ nhiệm đề tài

Đà Nẵng, Tháng 11 Năm 2014

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài: Ths Trần Đức Mạnh

Những người tham gia:

TS Vũ Thị Duyên

Ths Võ Thắng Nguyên

Đơn vị phối hợp chính:

Khoa Hóa, trường Đại học Monash - Australia

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp hợp chất dẫn điện từ

tetracyanoquinondimetan (TCNQ)

- Mã số: Đ2014-03-63

- Chủ nhiệm: Ths Trần Đức Mạnh

Điện thoại cơ quan: 05113.833327, Di động:

Email: [email protected]om hoặc [email protected].au

- Thành viên tham gia: TS Vũ Thị Duyên, Ths Võ Thắng Nguyên

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng

Địa chỉ: Số 459 Tôn Đức Thắng, thành phố Đà Nẵng

Điện thoại: 05113. 841323, Email: [email protected]

- Thời gian thực hiện: 12 tháng, từ tháng 1 năm 2014 đến tháng 12

năm 2014

2. Mục tiêu:

Đưa ra những phương pháp tổng hợp hóa học và điện hóa để tổng

hợp những hợp chất từ tetracyanoquinodimetan (TCNQ) với cation kim

loại chuyển tiếp như; Cu, Ag⁺, và aminoaxit Proline

Nghiên cứu cấu trúc của hợp chất mới tạo thành

Đánh giá các tính chất hóa lý như: khả năng dẫn điện, tính oxi hoá

khử của những hợp chất mới và ứng dụng của nó.

3. Tính mới và sáng tạo:

- Đưa ra các phương pháp hóa học và điện hóa để tổng hợp một số

hợp chất từ kim loại và amino axit với tetracyanoquinodimetan (TCNQ)

- Đóng góp thêm các thông tin khoa học về các hợp chât tạo thành

từ TCNQ.

- Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về TCNQ.

4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

1, AgTCNQ có thể được tổng hợp ở hai hình dạng và màu sắc tinh thể khác

nhau. Tuy nhiên cấu trúc tinh thể và tính chất phổ của hai trạng thái là

giống nhau, do đó có khả năng chúng là một pha. Quá trình khử của

TCNQ_(MeCN)trong Ag⁺

trên điện cực làm việc GC, Pt và ITO, tạo

(MeCN)

thành tinh thể AgTCNQ hình thái học giống nhau. Tại giá trị thế thấp nhất

có thể, nồng độ TCNQ^.-tại bề mặt điện cực là thấp, tinh thể màu đỏ được

hình thành trên bề mặt điện cực. Sau thời gian dài hơn và thế âm hơn, nồng

độ TCNQ^.-tại bề mặt điện cực cao sẽ tạo điều kiện cho việc tạo tinh thể

nhỏ hơn một cách nhanh hơn thông qua quá trình khử Ag⁺[(TCNQ^.-

)(TCNQ)]_(MeCN).Điều này dẫn đến sự tạo màng mỏng vi tinh thể màu xanh

AgTCNQ trên các tinh thể hình kim màu đỏ. Tại thế âm hơn nữa, các mầm

kim loại Ag sẽ hạn chế sự phát triển của AgTCNQ. Sự ảnh hưởng của nồng

độ TCNQ^.-

vào hình thái của vật liệu kết tinh điện hóa có thể liên

(MeCN)

quan đến phương pháp tổng hợp hóa học, khi nồng độ của Ag⁺

và

(MeCN)

TCNQ^.-

là thấp thì sản phẩm là các tinh thể AgTCNQ hình kim màu

(MeCN)

đỏ cũng giống như trong trường hợp kim loại Ag ở trong dung dịch

TCNQ_(MeCN)và khi vi tinh thể AgTCNQ màu xanh được đun hồi lưu trong

MeCN. Ngược lại, nếu hỗn hợp Ag⁺

và TCNQ^.-

ở nồng độ cao

(MeCN)

thì sẽ tạo ra nhanh chống vi tinh thể AgTCNQ mà xanh. AgTCNQ cũng có

thể tạo ra trên điện cực đã được biến đổi TCNQ_(s)trong 0,1 M AgNO_3(aq)

.

Ở đó sự kết tủa kim loại Ag vào trong tinh thể TCNQ_(s)thực hiện bằng quá

trình trao đổi điện tích.

2. Các kết quả nghiên cứu về X-Ray, IR, powder X-ray… cho thấy sự tồn

tại của hai hình thái khác nhau của Cu^I(TCNQ). ĐIều này cho thấy rằng sản

phẩm động học pha I của CuTCNQ hòa tan trong CH₃CN và sau đó từ từ

chuyển sang trạng thái vật liệu CuTCNQ (II) ổn định hơn về mặt nhiệt

động học. Cả hai pha đều là vật liệu tinh thể màu tím. Không thể phân biệt

thông thường hai pha này mà phải sử dụng SEM để phân biệt. Thành phần

hóa học và tính chất điện cửa hai pha CuTCNQ là giống nhau, nhưng cấu

trúc và tính chất là khác nhau hoàn toàn. Sự biến đổi từ pha I sang pha II có

thể thực hiện thông qua điều khiển các điều kiện phản ứng. Các dữ liệu về

dẫn điện cho thấy CuTCNQ pha I là chất bán dẫn trong lúc đó CuTCNQ

(II) là chất gần như không dẫn.

3. Đã tổng hợp được một phức chất có tính bán dẫn từ amino axit L-prolin

với TCNQ. Cấu trúc phân tử của sản phẩm mô tả bằng công thức

(Pro₂H⁺)₂(TCNQ^.-)₂.TCNQ. (Pro₂H⁺)₂(TCNQ^.-)₂.TCNQ xây dựng từ cơ sở

cation và anion mạng lưới hai chiều hỗ trợ mở rộng tương tác liên kết

Hydro dẫn đến có những tính chất điện bất thường. Các tính chất hóa lý của

sản phẩm này là hoàn toàn phù hợp với cấu trúc tinh thể.

4. Phản ứng giữa N,N-dimetyl-D-proline metyl ester với LiTCNQ tạo ra

hỗn hợp hai tinh thể với các tỷ lệ khác nhau. Các tinh thể này được tách ra

bằng tay và mỗi tinh thể được đặc trưng bằng các phương pháp phân tích

bao gồm cấu trúc đơn tinh thể X- Ray, phổ IR, Raman trong trạng thái rắn

và điện hóa trong dung dịch. Các kết quả phân tích này cho thấy sự tồn tại

hai tinh thể với hai tỷ lệ khác nhau; 1:1 [Pro(CH₃)₂TCNQ] and 2:3

[(Pro(CH₃)₂)₂(TCNQ)₃]. Điều đặc biệt là phương pháp điện hóa cung cấp

một phương pháp nhạy để phát hiện chắc chắn hai tỷ lệ này. Quan trọng

hơn nữa là độ dẫn điện của hỗn hợp tinh thể đã tìm thấy là 3,1 x 10^-2S.cm^-1,

nó nằm trong phạm vi của một chất bán dẫn.

5. Tên sản phẩm:

Tài liệu về kết quả nghiên cứu: Báo cáo tổng kết

Kết quả phân tích cấu trúc của các sản phẩm tạo thành từ TCNQ

6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng

áp dụng:

Số bài báo công bố: 01

Số báo cáo tại hội nghị khoa học: 01

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:

Project title: The synthesis of semiconductor compounds from

tetracyaniquinondimethane (TCNQ)

Code number: Đ2014-03-63

Project Leader:Ms Tran Duc Manh

Office tel: 05113.833327, Di động:

Email: [email protected]om hoặc [email protected].au

Coordinator: Dr Vu Thi Duyen, Ms Vo Thang Nguyen

Implementing institution: Danang University of Education

Address: 459 Ton Duc Thang St., Danang City.

Tel: 05113841323 ; E-mail: [email protected]

Duration: From January 2014 to December 2014

2. Objective(s):

Given the integrated approach to chemical and electrochemical

synthesis of compounds from tetracyanoquinodimethan (TCNQ) with

transition metal cations such as: Cu, Ag and amino acid proline .

Study about Structure of new compounds

Evaluation of physicochemical properties such as electrical

conductivity, oxidation-reduction properties of the new compounds and its

application.

3. Creativeness and innovativeness:

Given the chemical and electrochemically methods for the

synthesis of some compounds from metals and amino acids with

tetracyanoquinodimethan (TCNQ)

Contributed more information for scientific resources about about

the compounds formed by TCNQ

This is the first project about studies of TCNQ in Vietnam

4. Research results:

1, AgTCNQ may be synthesized in two different shaped and colored

crystalline forms. However, the crystal structure and spectroscopic

properties of the two forms appear to be identical and hence potentially are

the same phase. Reduction of TCNQ(MeCN) in the presence of Ag⁺_(MeCN)at

GC, Pt, and ITO electrodes lectrocrystallizes either of the AgTCNQ

morphologies. At minimum possible deposition potentials, the

concentration of TCNQ^.-_(MeCN)at the electrode surface is low, allowing slow

growth of high aspect ratio, red needle AgTCNQ crystals at well-spaced

defect sites present on electrode surfaces. After longer periods and at more

negative deposition potentials, the higher concentration of TCNQ^.-

(MeCN)

favors faster growth of smaller crystals via reduction of Ag+[(TCNQ^.-

)(TCNQ)]_(MeCN).This results in deposition of a blue microcrystalline

AgTCNQ thin film over the red needles. At even more negative potentials,

Ag(metal) nucleates, inhibiting growth of AgTCNQ. The effect of TCNQ^.-

concentration on crystal morphology of electrocrystallized material

(MeCN)

can be related to the chemical synthetic routes, where low concentrations of

Ag⁺_(MeCN)and TCNQ^.-_(MeCN)produce red needles of AgTCNQ, as also is the

case when Ag(metal) is placed into a solution of TCNQ_(MeCN)and when

blue microcrystalline AgTCNQ is refluxed in acetonitrile. In contrast,

mixing high concentrations of Ag⁺

and TCNQ^.-

results in rapid

(MeCN)

precipitation of blue icrocrystalline AgTCNQ. AgTCNQ can also form on

a TCNQ_(s)modified electrode in 0.1 M AgNO_3(aq)where deposition of

Ag(metal) onto the TCNQ_(s)crystals allows a charge transfer process to

occur.

2. The results of this study establish the existence of two markedly different

polymorphs of CuI(TCNQ) by X-ray photoelectron spectroscopy, infrared

spectroscopy, powder X-ray diffraction techniques, and single-crystal X-

ray methods. The key to this discovery was the recognition that the kinetic

product (phase I) is soluble in acetonitrile and slowly converts to a more

thermodynamically stable material (phase II). Both phases are dark purple,

crystalline materials, and without the use of scanning electron microscopy

and powder X-ray methods, it is not trivial to distinguish between the two

samples. Conductivity data on pressed pellets of bulk samples of the two

phases support the conclusion that the material responsible for switching in

the films is phase II, which is a very poor semiconductor. Phase I is a much

better conductor. It make informations for next studies.

3. we have reported the first example of an amino acid/TCNQ derived

semiconductor. The X-ray structure for the proline derivative shows a novel

and unpredicted structure. ((Pro₂H⁺)₂(TCNQ^.-)₂).TCNQ is derived from

sheets of cations and anions in the two-dimensional lattice supported by

extensive H-bonding interactions resulting in unusual electronic properties.

The extensive physicochemical characterization of this material is in

complete accord with the crystal structure.

4. The reaction mixture of N,N-dimethyl-D-proline methylester with

LiTCNQ afforded a mixture of crystals with two cation : anion

stoichiometries. These were separated by hand and each crystal form

subjected to a series of analyses including single crystal X-ray diffraction,

IR, Raman in the solid state and solution electrochemistry. This analysis

demonstrated the existence of two stoichiometries; the 1 : 1

[Pro(CH₃)₃TCNQ] and 2 : 3 [(Pro(CH₃)₃)₂(TCNQ)₃]. Interestingly, the

electrochemical technique provided an exceptionally sensitive method of

distinguishing these two stoichiometries and is definitive with or without

X-ray crystallographic characterisation. Interestingly, the conductivity of

the mixture of crystals (3,1 x 10^-2S.cm^-1) was found to lie in the range

observed for a semiconductor.

5. Products:

Material of research results: final report

Results of the structural analysis of the products formed by TCNQ

6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

The number of articles published: 01

The number of reports at scientific conferences : 01

MỞ ĐẦU

Chất dẫn điện hữu cơ được tổng hợp từ TCNQ và dẫn xuất của nó

đã trở thành một hướng nghiên cứu hấp dẫn từ khi nó lần đầu tiên được

phát hiện vào những năm 1970. Hầu hết những chất dẫn điện nói trên được

tạo thành từ những hợp chất trao đổi điện tích giữa anion TCNQ(1-) với

một cation thích hợp khác chẳng hạn như các cation kim loại, phức chất cơ

kim hay các cation hữu cơ. Thú vị hơn nữa, một hợp chất trao đổi điên tích

hữu cơ thuần tuý TCNQ-TTF được tổng hợp lại có độ dẫn điện như các

kim loại. Điều này rất có giá trị trong việc ứng dụng chất các hợp chất hữu

cơ vào lĩnh vực điện tử. Nhiều hợp chất của TCNQ(1-) mang tính chất dẫn

điện cao. Do đó, chúng đã được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lĩnh

vục điện tử, chẳng hạn như tụ điện điện phân, công tắc điện tử, vật liệu lưu

trữ quang học. Mặc dù một vài ví dụ về hợp chất giữa TCNQ và các phân

tử sinh học khác đã được nghiên cưú trong những năm gần đâu , nhưng

việc xác định cấu trúc của chúng lại chưa mấy thành công. Đặc biệt ở Việt

Nam chưa có bất kỳ công trình nào nghiên cứu về TCNQ. Một lượng lớn

các hợp chất bán dẫn lai hoá thông dụng dựa trên TCNQ đã được phát triển

trong những ứng dụng tiêu biểu như bán dẫn, xúc tác, điện . Vì vậy việc

nghiên cứu tổng hợp các hợp chất có khả năng dẫn điện từ

tetracyanoquinodimethan (TCNQ) là cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đưa ra những phương pháp tổng hợp hóa học và điện hóa để tổng

hợp những hợp chất từ tetracyanoquinodimethan (TCNQ) với cation kim

loại chuyển tiếp như; Cu, Ag⁺, và aminoaxit Proline

Nghiên cứu cấu trúc của hợp chất mới tạo thành

Đánh giá các tính chất hóa lý của những hợp chất mới và ứng dụng

của nó.

Nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu lý thuyết về tetracyanoquinodimethan (TCNQ)

Nghiên cứu quy trình tổng hợp hợp chất mới từ

tetracyanoquinodimethan (TCNQ) với các cation kim loại chuyển tiếp như:

Cu²⁺, Ag⁺

Nghiên cứu quy trình tổng hợp hợp chất mới từ TCNQ với

aminoaxit Proline,

Khảo sát cấu trúc, tính chất dẫn điện của các hợp chất mới tạo

thành bằng các phương pháp phân tích hiện đại.

Ý nghĩa của đề tài

Đây là công trình nghiên cứu cơ bản có tính chất định hướng cho

ứng dụng. Các kết quả trong đề tài góp phần bổ sung vào việc tổng hợp các

hợp chất hữu cơ có tính bán dẫn, cũng như các ứng dụng khác cho khoa

học kỹ thuật.

Chương 1: Khái quát chung về polime dẫn điện và ứng dụng của nó

Lịch sử phát triển của Polime dẫn điện , Bản chất về tính dẫn điện của

Polime dẫn, Tổng quan về TCNQ và dẫn xuất của TCNQ

Chương 2: các phương pháp nghiên cứu - thực nghiệm

Hóa chất, dụng cụ, Tổng hợp chất, Tổng hợp AgTCNQ ,

Tổng

hợp

CuTCNQ, Tổng hợp ProTCNQ , Tổng hợp N,N-dimetyl- Prolin metyl este

với TCNQ Phương pháp nghiên cứu tính chất của hợp chất: Kính hiển vi

điện tử quét (SEM), phương pháp nhiễu xạ tia X, Phương pháp phổ hồng

ngoại IR, phương pháp đo độ dẫn điện..

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Tổng hợp AgTCNQ

Tính chất của AgTCNQ,( tạm gọi là pha I và pha II) khi tổng hợp bằng

phương pháp hóa học

Hình 1: Hình ảnh SEM của AgTCNQ tổng hợp bằng phương pháp hóa học.

AgTCNQ màu xanh (a, c), màu đỏ (b và d) và kính hiển vi quang học ( a và b)

Kết quả phổ của AgTCNQ tổng hợp bằng phương pháp hóa học (hình 2)

Phổ IR (hình b) và Raman (hình a) cũng không thể phân biệt được

hai pha I và II này, nhiễu xạ tia X cũng cho kết quả giống nhau cho pha I và

pha II. (hình c)

Hình 2. (a) phổ Raman, (b) phổ IR và (c) phổ X- ray của tinh thể AgTCNQ xanh và

đỏ tạo thành bằng ppth hóa học, (d) X-của AgTCNQ.

Như vậy bằng phương pháp tổng hợp hóa học chúng ta rất khó để

phân biệt được quá trình diễn ra tạo hai pha khác nhau của AgTCNQ.

Quét thế tuần hoàn Ag⁺_(MeCN)và TCNQ_(MeCN)trong CH₃CN

Quét thế vòng tuần hoàn của TCNQ trên bề mặt điện cực

TCNQ_(MeCN)cố định trên bề mặt điện cực kim loại hoặc GC sẽ xảy

ra hai quá trình khử để tạo thành TCNQ^.-

và TCNQ^2-

(hình 3.a),

(MeCN)

thế quét vòng tuần hoàn cho TCNQ từ 230 đến -310 và ngược lại (so với

Ag/AgCl).

Quét thế tuần hoàn cho Ag⁺:Ag⁺_(MeCN)sẽ bị khử tạo thành kim loại Ag

Hình 3 : Quét thế vòng tuần hoàn trong MeCN (0,1 M Bu₄NBF₄) tại tốc độ quét

100 mV/s: (a) 10 mM TCNQ_(MeCN), (b) hai chu kỳ quét thế của 10 mM Ag⁺

(MeCN)

trên điện cực GC đường kính 1,5 mm.

Bảng 1 : Dữ liệu thế (E₀) cho TCNQ và Ag trong H₂O và MeCN

Phản ứng

Ag⁺_(aq)+ e^-

TCNQ_(aq)+ e^-

TCNQ^.-_(aq)+ e^-

(E₀) V

0,557

Ag_(r)

TCNQ^.-

0,115

-0,128

0,318

0,21

(aq)

TCNQ^2-

(aq)

Ag⁺

+ e^-

Ag_(r)

(MeCN)

TCNQ_(MeCN)+ e^-

TCNQ^.-+ e^-

TCNQ^.-

TCNQ^2-

(MeCN)

-0,33

(MeCN)

Quá trình khử quét thế tuần hoàn của TCNQ_(MeCN)trong CH₃CN trong sự

có mặt của Ag⁺

.

(MeCN)

Khi có mặt cả hai dung dịch 3,2 mM Ag⁺

và 9,6 mM

(MeCN)

TCNQ_(MeCN)trong MeCN (0,1 M Bu₄NPF₆), giản đồ quét thế tuần hoàn với

tốc độ quét 20mV s^-1điện cực làm việc GC, dòng điện bắt đầu xuất hiện

,

khi khử TCNQ_(MeCN)tại 360 mV (giống như trường hợp không có

Ag⁺_(MeCN))_.Tuy nhiên tại 290 mV , sự khử dòng điện tăng rất nhanh ( I

kh

trong hình 4a). Khi đảo chiều quét thế tại 285mV dòng điện tiếp tục tăng

tới giá trị tối đa -58 μA tại 290 mV, sau đó giảm nhanh chóng khi quét về

phía thế dương. Dòng điện đã cắt ngang với quá trình quét thế ban đầu tại

360 mV, thể hiện rằng đã có sự tạo mầm và phát triển mầm của chất rắn

khác kim loại Ag trên bề mặt điện cực. Thậm chí tại điện thế dương hơn

nữa, xuất hiện píc nhọn của quá trình oxi hóa tại 420 mV ( I^’_strip) , theo sau

đó là một pic rộng hơn tại 670 mV (I^’’_strip). Việc phát hiện quá trính tạo

mầm/phát triển mầm, bắt đầu từ quá trình quét thế từ phía âm hơn để khử

Ag⁺_(MeCN)thành kim loại Ag có nghĩa là kết tinh tinh thể điện của AgTCNQ

có thể xảy ra thông quá quá trình khử của TCNQ_(MeCN)thành TCNQ^.-trong

sự có mặt của Ag⁺_(MeCN). Khi tăng nồng độ của Ag⁺

và TCNQ_(MeCN)

(MeCN)

lên 9,1 mM, thì dòng điện cũng tăng lên cho toàn bộ quá trình quét thế

(hình 4a). Trong chu kỳ quét thế thứ 2 và các chu kỳ tiếp theo dòng khử I_kh

tăng lên đặc biệt tăng mạnh khi thế đạt đến thế cần thiết cho quá trình khử

TCNQ_(MeCN). Nếu tất cả AgTCNQ không được loại bỏ trong quá trình này

thì sự phát triển mầm AgTCNQ có thể xảy ra trên các tinh thể còn sót lại

trong các thí nghiệm chu kỳ quét thế tiếp theo. Sự cắt ngang điện thế tiếp

tục được giữ nguyên trong các chu kỳ tiếp theo, nhưng dòng điện I’_stripvà

I’’_stripdần dần nhỏ hơn, nguyên nhân có thể là do việc hình thành AgTCNQ

trên điện cực và AgTCNQ chỉ hòa tan với lượng nhỏ và có độ dẫn điện vừa

phải.Nếu điện thế được mở rộng đến 185 mV, thì dòng khử vẫn tăng nhanh

tại điểm khử TCNQ_(MeCN)thành TCNQ^.-nhưng lúc này lại xuất hiện đuôi

pic tại 270 mV (I_kh+ II_khhình 4c). Khi chuyển đổi điện thế và quét về phía

dương thì I’_stripvà I’’_stripthay đổi nhiều hơn về điện thế dương và pic cao

của I’_stripnhỏ hơn I’’_strip, ngược lại với quá trình quét thế tại 285mV (hình

4b).

Hình 4: Quét thế vòng tuần hoàn trong MeCN (0,1 M Bu₄NBF₄) bắt đầu ở thế 885

mV ( a – d) trên điện cực GC đường kính 3 mm

Sự tăng lên của tốc độ quét thế từ 20 tới 50, 100 và 200 mV/s(hình

4.c) dẫn đến sự khử dòng điện trước khi chuyển đổi thế và tăng tuyến tính

với căn bậc hai của tốc độ quét thế đồng thời các dòng oxi hóa cũng tăng.

Khi quét thế tại 500 mV/s quá trình I_kh+ II_khdi chuyển đến điện thế âm

hơn là do quá trình tạo tinh thể điện hóa bắt đầu nhanh hơn.

Khi điện thế được thay đổi về phía âm hơn -155 mV (hình 4.d), có

một quá trình khử thứ 3 được xác định tại -100 mV và khi đảo ngược thế

lại xuất hiện quá trình oxi hóa mạnh tại 380 mV cùng với hai quá trình oxi

hóa AgTCNQ ghi nhận trước đây. Quá trình khử và oxi hóa mới xuất hiện

tại thế gần với thế khử Ag⁺_(MeCN)và thế oxi hóa kim loại Ag trên bề mặt

điện cực trần GC. Điều này có thể là do vẫn còn dư ion Ag⁺

và khả năng hòa tan của AgTCNQ trong CH₃CN.

Quá trình oxi hóa của tinh thể kết tinh AgTCNQ

ban đầu

(MeCN)

Các dữ liệu cho thấy rằng kết tinh bằng điện hóa tạo ra AgTCNQ

trên bề mặt điện cực làm việc, khi sự kết tủa xảy ra ở ở điện thế trước điện

thế của quá trình khử Ag⁺

về kim loại Ag. Nếu điện thế cho quá trình

(MeCN)

kết tủa kéo dài về phía âm và tăng thời gian kết tủa Ag lên thì sẽ có quá

trình tạo mầm và phát triển mầm của Ag vì vậy nó sẽ hạn chế quá trình tạo

AgTCNQ. Tuy nhiên về bản chất có thể xác định được hai khu vực điện thế

cho quá trình oxi hóa AgTCNQ và kim loại Ag với sự thay đổi các điều

kiện làm việc.

Hình 5 : Quét thế stripping từ dung dịch chứa 9,1 mM TCNQ_(MeCN)và Ag⁺

(MeCN)

trong MeCN ( 0,1 M Bu₄NBF₄) trên điện cực GC đường kính 3 mm với tốc độ quét

thế 100 mV s^-1sau tạo tinh thể AgTCNQ ở các thế: (a) 285 mV, (b) 185 mV, (c) -

155 mV

Quét thế vòng tuần hoàn cho TCNQ và điện cực đã cố định AgTCNQ trong

dung dịch điện ly 0,1 M AgNO₃

TCNQ cố định trên bề mặt điện cực làm việc trong dung dịch Ag⁺

về nguyên tắc có thể có hai cách khác nhau để tạo AgTCNQ. Cách thứ nhất

các ion Ag⁺sẽ kết hợp với các gốc anion TCNQ, cách thứ hai là khử

(aq)

Ag⁺_(aq)về kim loại Ag sau đó phản ứng với TCNQ_(s). Tuy nhiên , thế cơ bản

cho quá trình khử TCNQ^0/.-là âm hơn so với Ag^+/0(bảng 1) do đó cách thứ

nhất là khó thực hiện. Tại tốc độ quét 20 mV/s, thì kim loại Ag sẽ được tạo

thành bằng cách khử dung dịch 0,1 M AgNO₃trên điện cực trần GC tại E =

470 mV (hình 6.a). Nếu đảo chiều quá trình quét thế tại 450 mV, xuất hiện

1 pic tại 470 mV, dòng điện cắt ngang tại 510 mV, điều này cho thấy có

cơ chế tạo mầm và phát triển mầm và quá trình oxi hóa Ag kim loại tại 560

mV.

Giải điện hóa có thể khám phá được khi tổng hợp tinh thể màu

xanh AgTCNQ cố định trên bề mặt điện cực GC đặt tiếp xúc trong dung

dịch 0,1 M AgNO₃và quét thế về hướng dương bắt đầu ở 510 mV ( giao

nhau với điện thế cho quá trình giả kết tủa kim loại Ag) (hình 6b), Quá

trình giải tinh thể AgTCNQ đỏ (tổng hợp bằng phương pháp hóa học) trên

bề mặt điện cực xuất hiện pic oxi hóa nhỏ tại 540 mV và hai pic giải tại 710

và 760 mV (hình 6.c).

Dữ liệu giản đồ quét thế tuần hoàn cho TCNQ trên điện cực GC

(bằng phương pháp thả đúc) trong dung dịch 0,1 M AgNO_3(aq), quá trình kết

tủa và giải kim loại Ag thể hiện (hình 7). Tuy nhiên, khi đảo chiều hướng

quét về thế ban đầu xuất hiện một pic rộng đối xứng của quá trình oxi hóa,

giống như pic được tìm thấy trong quá trình giải tinh thể màu xanh

AgTCNQ. Trong chu kỳ quét thế lần thứ hai, pic giải này được xác định tại

710 mV, giống như đã được dự kiến nếu tinh thể màu đỏ AgTCNQ đã được

tạo thành.

Hình 6 : Quét thế vòng tuần hoàn trong nước (0,1 M AgNO_3(aq)) trên điện cực GC

đường kình 3 mm, tốc độ quét thế 20 mV s^-1cho: (a) Kết tủa Ag và giải kết tủa Ag

kim loại, (b) giải tinh thể màu xanh AgTCNQ, (c) giải tinh thể màu đỏ AgTCNQ.

Quét thế vòng tuần hoàn với điện cực có TCNQ_(s)bám trên bề mặt

điện cực (bằng phương pháp cơ học) ( hình 7b) là giống với phương pháp

thả đúc, mặc dù xuất hiện pic lớn cho quá trình giải AgTCNQ tại 690 mV ở

lần quét thế đầu tiên. Đến vòng quét thế thứ hai thì xuất hiện pic giải tại

710 mV và đến vòng thứ 10 thì xuất hiện tại 720 mV. Cho thấy rằng cho

thấy có sự biến đổi từ màu đỏ sang màu xanh của AgTCNQ được tạo

thành.

Hình 7: Dữ liệu quét thế vòng tuần hoàn trong nước (0,1 M AgNO_3(aq)), điện cực

GC đường kính 3 mm, tốc độ quét thế 20 mV/s cho : (a) TCNQ_(s)được cố định trên

GC bằng phương pháp thả đúc, (b) TCNQ_(s)được cố định trên GC bằng phương

pháp cơ học cọ xát, (c) AgTCNQ được cố định trên GC từ 9,1 mM TCNQ_(MeCN)và

Ag⁺_(MeCN)trong MeCN

Cuối cùng sự kết tinh điện hóa của AgTCNQ trên điện cực GC

được thực hiên từ 9,1 mM Ag⁺

và TCNQ_(MeCN)trong MeCN (0,1 M

(MeCN)

Bu₄NBF₆) tại điện thế 300 mV trong 30 giây hoặc -100 mV trong 1s. Thí

nghiệm trước đã tạo ra tinh thể AgTCNQ màu đỏ và màu xanh và sau này

tạo ra tinh thể màu đỏ của AgTCNQ. Điện cực làm việc sau đó được lấy ra

nhẹ nhàng từ dung dịch, sau đó nhỏ khoảng 3 giọt MeCN để loại bỏ

TCNQ, Ag⁺còn dư, và chất điện ly. Điện cực chứa AgTCNQ sau đó được

nhúng vào dung dịch 0,1 M AgNO_3(aq). AgTCNQ được kết tủa tại 300 mV

từ MeCN, sau đó xuất hiện pic nhọn giải AgTCNQ tại 750 mV, trong khi

đó AgTCNQ được tạo thành tại -100 mV và xuất hiện pic giải rộng tại 740

mV (hình 7.c). Các pic giải được tìm thấy trong thí nghiệm này là nhọn hơn

và kéo nhẹ về phía điện thế dương hơn so với các pic được tìm thấy bằng

phương pháp tổng hợp hóa học. Điều này cho thấy rằng quá trình giải

AgTCNQ trên bề mặt điện cực là nhạy với cách tạo AgTCNQ.

Kiểm tra sản phẩm tinh thể điện hóa AgTCNQ bằng kính hiển vi, phổ

quang học, nhiễu xạ tia X.

Sự phân biệt tinh thể AgTCNQ chỉ thực hiện bằng điện hóa, hình

thái và màu sắc.

Hình ảnh SEM của tinh thể điện hóa AgTCNQ trên điện cực làm

việc GC từ hỗn hợp 9,1 mM TCNQ_(MeCN)và Ag⁺_(MeCN)trong MeCN (0,1 M

Bu₄NBF₄) cho thấy thu được tinh thể hình kim khi (hình 8). Màu sắc của

tinh thể kết tinh điện hóa AgTCNQ tạo thành được quan sát bằng kính hiển

vi quang học. Khi kim loại Ag kết tủa trên bề mặt điện cực tại -100 mV

trong 10s từ 10 mM Ag⁺_(MeCN)trong MeCN ( 0,1 M Bu₄MBF₄), sau đó điện

cực được rửa sạch với 10 mM TCNQ_(MeCN)trong 30 giây (hình 9.a) thì sẽ

thu được một lượng nhỏ tinh thể hình kim màu đỏ cùng với một ít Ag còn

sót laị. Nếu tiếp tục tăng thời gian trong TCNQ_(MeCN)lên 60 giây thì lúc này

tất cả các kim loại Ag đều chuyển thành tinh thể màu đỏ lớn hơn trước.

Kết tinh tinh thể AgTCNQ trên điện cực làm việc GC tại 300 mV (I_kh)

trong 10 giây từ 9,1 mM TCNQ_(MeCN)và Ag⁺

trong MeCN ( 0,1 M

(MeCN)

Bu₄NBF₄) (hình 9.b) tạo ra các tinh thể hình kim màu đỏ và sợi nano.

Ngược lại nếu kết tinh điện thực hiện tại 0 mV (I_kh+ II_kh) trong 10 giây thì

sẽ tạo ra toàn bộ bề mặt điện cực là tinh thể màu xanh (hình 9.c). Tuy

nhiên, khi kiểm tra kỹ thì thấy rằng các tinh thể màu xanh này phủ lên trên

các tinh thể hình kim màu đỏ. Nếu kết tinh điện thực hiện tại -100 mV (I_kh

+II_kh+ Ag⁺) trong 120 giây (hình 9.d), kim loại Ag được tạo thành trên bề

kh

mặt điện cực, trong khi đó một vài tinh thể hình kim màu đỏ ở giữa điện

cực còn các tinh thể màu xanh phủ lên trên tinh thể màu đỏ ở hai bên điện

cực. Quét thế tuyến tính với tốc độ quét 100 mV s^-1cho điện thế từ 1,1 V

đến 0 V sẽ tạo ra một bề mặt tinh thể thể hình kim màu đỏ dày đặc. Giản đồ

quét thế vòng tuần hoàn từ 1,1 V đến -300 mV và quay lại 1,1 V tạo ra một

lớp hình kim màu đỏ phủ lên lớp màu xanh. Rõ ràng một số tinh thể

AgTCNQ vẫn bám trên bề mặt điện cực làm việc, mặc dù vẫn có pic giải

chúng trên giản đồ quét thế tuần hoàn.

Hình 8: SEM của AgTCNQ bằng kết tinh điện hóa từ 9,1 mM TCNQ_(MeCN)và

Ag⁺_(MeCN)trong MeCN( 0,1 M Bu₄NBF₄) bằng điện cực làm việc GC đường kính 3

mm khi điện thế được giữ tại: (a) 240 mV trong 30 giây, (b) -100 mV trong 30 giây

và (c) quét thế tuyến tính từ 800 đến -100 mV với tốc độ quét 100 mV s^-1.

Hình 9. Hình ảnh SEM của AgTCNQ được tạo thành trên điện cực GC đường kính

3 mm: (a) kim loại Ag được kết tủa từ 10 mM Ag⁺

trong MeCN (0,1 M

(MeCN)

Bu₄NBF₄) tại thế -100 mV trong 10 giấy, rửa trong MeCN và đặt trong 10 mM

TCNQ_(MeCN)trong 30 giây; (b,c,d) kết tinh điện hóa từ 9,1 mM TCNQ_(MeCN)và

Ag⁺_(MeCN)trong MeCN (0,1 M Bu₄NBF₄) tại (b) 300 mV trong 10 giây, (c) 0 V trong

10 giây, (d) -100 mV trong 120 giấy; (e, f) trong 0,1 M AgNO_3(aq)thông qua (e)

quá trình khử của TCNQ_(s)trên điện cực tại 400 mV trong 30 giây và (f) sau 10,5

chu kỳ quét thế từ 900 đến 400 mV

Cơ chế của quá trình tạo thành AgTCNQ

Cơ chế của quá trình điện hóa tạo AgTCNQ là rất phức tạp. Các

mảng tinh thể hình kim màu đỏ AgTCNQ được tạo thành ở điện thế dương

hơn ( quá trình I_kh) và thời gian ngắn, khi mà TCNQ_(MeCN)bị khử tạo thành

TCNQ^.-trong Ag⁺_(MeCN).Điều này cho thấy rằng các tinh thể hình kim màu

đỏ AgTCNQ được tạo thành trong quá trình phát triển tinh thể chậm khi mà

nồng độ của Ag⁺_(MeCN)và TCNQ^.-_(MeCN)là thấp. Quá trình này được thể hiện

ở trong phương trình 2 phương trình sau.

Ag⁺[(TCNQ^.-)(TCNQ)]_(MeCN)

TCNQ^.-

+

Ag⁺

TCNQ_(MeCN)

+

(MeCN)

kêt tua

TCNQ^.-

[Ag⁺TCNQ^.-]_(s)

+ e^-

+

Ag⁺[(TCNQ^.-)(TCNQ)]_(MeCN)

(MeCN)

Kết luận

AgTCNQ có thể được tổng hợp ở hai hình dạng và màu sắc tinh thể

khác nhau. Tuy nhiên cấu trúc tinh thể và tính chất phổ của hai trạng thái là