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液/液界面電化學(xué)及電 分析化學(xué)簡(jiǎn)介邵元華,教授CollegeofChemistryandMolecularEngineering PekingUniversity二00二年十一月1.液/液界面電化學(xué)的發(fā)展歷史2.液/液界面電化學(xué)的基本原理3.液/液界面電化學(xué)的主要研究方法及儀器設(shè)備4.液/液界面電化學(xué)的現(xiàn)狀5.液/液界面電化學(xué)的未來展望主要內(nèi)容參考書和文獻(xiàn):1.液/液界面電化學(xué),P.Vanysek著,羅穎華譯,汪爾康審校,吉林大學(xué)出版社,1987年2.H.H.GiraultandD.J.Schiffrin,inElectroanalyticalChemistry,A.J.Bard.,Ed.;Vol:15,p.1,MarcelDekker,NewYork,19893.H.H.Girault,inModernAspectsofElectrochemistry,J.O.Bockris,B.E.Conway,R.E.White,Eds.;PlenumPress,NewYork,1993,Vol:25,p.14.J.Koryta,Electrochemicalpolarizationphenomenaattheinterfaceoftwoimmiscibleelectrolytesolutions.ElectrochimicaActa,24(1979)293-3005.J.Koryta,Electrochemicalpolarizationphenomenaattheinterfaceoftwoimmiscibleelectrolytesolutions.II.Progresssince1978.ElectrochimicaActa,29(1984)445-4526.VolkovAG,DeamerDW.Liquid-liquidinterfaces.TheoryandMethods.California:CRCPress,1996.Briefhistory: 1902,NernstandRiesenfeld1906,Cremerpointedoutthattheanalogybetweenthewater/oil/waterconcentrationcellsandbiologicalmembrane1939,VerweyandNiessen,firsttheoreticalpaperontheelectricaldoublelayerandpotentialdistributionatITIES1970s,Gavachetal.inFrance首先認(rèn)識(shí)到L/L界面在一定的實(shí)驗(yàn)條件下可以被極化,并用Chronopotentiometry對(duì)一些簡(jiǎn)單離子在Water/Nitrobenzene(W/NB)的轉(zhuǎn)移行為進(jìn)行了研究。同時(shí)用ModifiedVerwey-Niessen(MVN)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。隨后Korytaetal.發(fā)展了滴水電極及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置,并首先研究了中性載體加速離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。Samecetal.in1979設(shè)計(jì)了具有iR降補(bǔ)償性質(zhì)的四電極恒電位儀,用來記錄離子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的伏安圖。這樣L/L界面電化學(xué)才在世界各地得到普及和蓬勃發(fā)展。1980s,汪爾康先生等是中國(guó)第一個(gè)從事L/L界面電化學(xué)研究的group1986,Giraultetal.第一個(gè)將微-L/L界面支持在Micropipettes上 1991,Cornetal.應(yīng)用SHG研究L/L界面 1995,MirkinandBardetal.應(yīng)用SECM研究L/L界面1997,Y.Shaoetal.第一個(gè)將納米級(jí)-L/L界面支持在Nanopipettes上最近幾年各種光譜技術(shù)也應(yīng)用于此領(lǐng)域的研究WWElectrodeOilGold,Pt,CNB1,2-DCEThedifferencebetweenL/Linterfaceand Electrode/ElectrolyteinterfaceChemicalsensorsElectrochemistryH+,pHK+,Na+,NH4+Cl-,Ac+O+e=RElectroactivespeciesNonelectroactivespeciesL/LInterfaceElectrochemistryatL/LInterfacesisthebridgebetweentheconventionalelectrochemistryandChemicalsensorsElectrochemistryatLiquid/LiquidInterfacesisafastwaytoselectreceptorsformakingchemicalsensorsElectrodeOBiologicalMembraneModelL/LInterfaceElectrode/electrolyte
Membrane/solutionArtificial,supportedmembraneandBLM2.液/液界面電化學(xué)的基本原理2.1.EquilibriumconditionsandNernstpotentialIngeneralatLiquid/Liquidinterfaces,therearetwotypesofchargepartition: (A)thetransferofanionMwiththechargenumberzfromthephasewtothephaseoandthereverse: MZ(w) =MZ(o)M+(w) +L(o) =ML+(o)(B)theelectrontransferbetweenaredoxcoupleO1/R1inthephasewandaredoxcoupleO2/R2inthephaseo,whichcanberepresentedas:O1(w)+R2(o)=R1(w)+O2(o)
NernstEquationsLiquid/Liquidinterfaceshavebeenclassifiedintotheideal-polarizedinterfaceandno-polarizedinterface.2.2.SingleionGibbsenergyoftransferTATBassumption2.3.SolvationofIonBornequation2.4.Interfacialstructureandtheiontransfermechanism(A)MVNMODEL(B)GSMODELAtpresent,themostcommonlyusedorganicsolventsarenitrobenzene(NB)and1,2-dichloroethane(1,2-DCE).Someothersolventshavebeentriedinthepasttwodecades,forexample,propiophenone,4-isopropyl-1-methyl-2-nitrobenzene,dichloro-methane,nitrotulene,chloroform,anilineetc.Inordertogetmoreflexiblechoice,organicsolventmixtureshavebeenalsoemployed,forexample,nitrobenzene+chlorobenzene,NB+benzonitrileandNB+benzene.Baseelectrolytes:TBATPB(tetrabutylammoniumtetraphenylborate),TBATPBCl,CVTPB,BTPPATPB(Bis[triphenylphosphoranylidene]ammoniumtetraphenylborate)2-電極系統(tǒng)新的技術(shù),例如:SHG(Secondharmonicgeneration)microelectrodes,micropipettesandnano-pipettesSECMFemto-laserSimulationsThinfilms現(xiàn)已用在L/LInterfaces的研究。各種電化學(xué)方法和技術(shù)4.液/液界面電化學(xué)的現(xiàn)狀Structure: MVNModelandGSModelMechanism: FacilitatediontransfermechanismKinetics: Butler-Volmerequation,Marcustheory Nanometeropipettes SECMApplications:
Thinfilms(solarcell,drugdelivery)目前國(guó)際上液/液界面電化學(xué)研究 存在的主要問題1.界面結(jié)構(gòu)未知!MVN模型和混合溶劑層模型(GS)2.可供選擇作為有機(jī)相的有機(jī)溶劑數(shù)目有限3.沒有很好的獲取轉(zhuǎn)移反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)手段4.iR(i-電流,R-電阻,iR降是由于溶液中電阻所引起的干擾)降及充電電流較常規(guī)電化學(xué)更加嚴(yán)重HowtosolvetheseProblemsMicroelectrodes:SolidandNano-andMicropipettes+ScanningElectrochemicalMicroscopy,SECMElectrochemistryatL/LInterfacesArtificialMembrane/ElectrolyteInterfacesBLMArtificialMembraneandBiosensorsModifiedL/LInterfacesMicroelectrodesNano-andMicropipettesSECMTheSEMdiagramsofNano-andMicropipettesMicropipettesNanopipettesMicropipettesTheta()MicropipetteTheSEMdiagramsofNano-andMicropipettesMicropipettesNanopipettes我們group可以制備內(nèi)徑從幾個(gè)nm到十幾個(gè)m的玻璃納、微米管AqueousPhaseOrganicPhaseAqueousPhaseOrganicPhaseAsymmetricDiffusionFieldTBATPBassupportingelectrolyteinDCETBATPBClassupportingelectrolyteinDCEBTPPATPBassupportingelectrolyteinDCEMicropipetteasatooltodeterminetheionicspecieslimitingthepotentialwindowatL/LInterfacesTBATPB(Tetrabutyalammoniumtetraphenylborate)TBATPBCl(tetrabutyl-ammoniumtetrakis[4-chlorophenyl]borate)BTPPATPB(Bis[triphosphor-anylidene]ammoniumtetraphenyl-borate)1,2-dichloroethane(DCE)Ag/AgCl/0.01MTBACl/0.25mMDB18C6+0.01MTBATPBCl//0.01MKCl/AgCl/AgIdentifythedifferentmechanismsACTTOCTICTIDwowowowoIdentifyofdifferentmechanismsoffacilitatediontransfersIdisk=4nFaDCIpip=3.35nFaDCWhyIpipisabout2.63timesbiggerthanIdisk?Silanizationplaysveryimportantrolehere!Anal.Chem.,1998,70,p3155-31613.4E-9Nanometer-sizedL/LInterface納米管NanopipetAqueousPhaseNano-ITIESkofrom0.1cm/sto10cm/sA54nmradiusB5nmradiusJ.Am.Chem.Soc.,1997,119,8103K+(w)+DB18C6(DCE)=[K+DB18C6](DCE)
J.Am.Chem.Soc.,1998,120,12700科學(xué)意義和創(chuàng)新點(diǎn):第一次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了非氧化還原物質(zhì)的Generation/CollectionMode。對(duì)于測(cè)量反應(yīng)中間產(chǎn)物和快速電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有重要意義。Thephotoof-micropipetteundermicroscope“Non-solution”L/LInterfaceElectrochemistryGenerator(1)andcollector(2)voltammogramsofthetransferofK+betweenwaterandDCEcontainingDB18C6igvs.Egandicvs.Egcurvesobtainedwithanaqueousfilmlinkingtwobarrelsofthe-pipetDetectionofammoniaintheair.Cyclicvoltammogamsobtainedwitha-pipetexposedtoair(1)andammoniavaporaboveits2MsolutionThepotentialwindowsdependupontheamountofAgar.Scanrateis30mV/s.Theradiusofthemicropipetteis4m,curves1、2、3and4correspondingto25%、10%、1%and0.5%ofAgar,respectivelyAgar-waterMicroelectrodeCyclicVoltammogramsofK+transferfacilitatedbyDB18C6.KClis0.1M,Scanrate=30mV/s。Theradiusofthemicropipetteis3μm。Curves1,2and3correspondingtotheconcentrationsofDB18C60.25,0.5and1.0mM.123(a)r=12μm(b
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