In Situ SHINERS at Electrochemical Single-Crystal Electrode/Electrolyte Interfaces: Tuning Preparation Strategies and Selected Applications

We have studied Au(55 nm)@SiO2 nanoparticles (NPs) on two low-index phases of gold and platinum single crystal electrodes in ClO4– and SO42– ion-containing electrolytes by both electrochemical methods and in-situ shell-isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopy (SHINERS). We showed the blocking of the electrode with surfactants originating from the synthesis of as-prepared SHINERS NPs. We introduce an efficient procedure to overcome this problem, which provides a fundamental platform for the application of SHINERS in surface electrochemistry and beyond. Our method is based on a hydrogen evolution treatment of the SHINERS-NP-modified single-crystal surfaces. The reliability of our preparation strategy is demonstrated in electrochemical SHINERS experiments on the potential-controlled adsorption and phase formation of pyridine on Au(hkl) and Pt(hkl). We obtained high-quality Raman spectra on these well-defined and structurally carefully characterized single-crystal surfaces. The analysis of the characteristic A1 vibrational modes revealed perfect agreement with the interpretation of single-crystal voltammetric and chronoamperometric experiments. Our study demonstrates that the SHINERS protocol developed in this work qualifies this Raman method as a pioneering approach with unique opportunities for in situ structure and reactivity studies at well-defined electrochemical solid/liquid interfaces.

Probing Charge Transfer in Benzodifuran-C-60 Dumbbell-Type Electron Donor-Acceptor Conjugates: Ground- and Excited-State Assays

Rigid electron donor-acceptor conjugates (1-3) that combine -extended benzodifurans as electron donors and C-60 molecules as electron acceptors with different linkers have been synthesized and investigated with respect to intramolecular charge-transfer events. Electrochemistry, fluorescence, and transient absorption measurements revealed tunable and structure-dependent charge-transfer processes in the ground and excited states. Our experimental findings are underpinned by density-functional theory calculations.

Real-time observation of the charge-transfer-to-solvent dynamics

Intermolecular electron-transfer reactions have a crucial role in biology, solution chemistry and electrochemistry. The first step of such reactions is the expulsion of the electron to the solvent, whose mechanism is determined by the structure and dynamical response of the latter. Here we visualize the electron transfer to water using ultrafast fluorescence spectroscopy with polychromatic detection from the ultraviolet to the visible region, upon photo-excitation of the so-called charge transfer to solvent states of aqueous iodide. The initial emission is short lived (~60 fs) and it relaxes to a broad distribution of lower-energy charge transfer to solvent states upon rearrangement of the solvent cage. This distribution reflects the inhomogeneous character of the solvent cage around iodide. Electron ejection occurs from the relaxed charge transfer to solvent states with lifetimes of 100–400 fs that increase with decreasing emission energy.

Decoupling surface reconstruction and perchlorate adsorption on Au(111)

On Au(111) electrodes, the investigation of ClO4− adsorption is hampered by a simultaneous surface reconstruction. We demonstrate that these two processes can be decoupled in cyclic voltammograms by a proper choice of the scan rate and of the initial potential. Our approach allowed the establishment of a relation between potentials of zero charge for the reconstructed and unreconstructed Au(111) surfaces.

Sais de diazônio: síntese e eletrorredução

Sais de diazônio são um classe de compostos amplamente usados em química orgânica. Sua aplicação abrange uma gama de sínteses desde corantes até reações de hetero-acoplamento para produção de fármacos, mas pouco é conhecido de sua redução eletroquímica para fins sintéticos. As metodologias empregadas na redução de sais de diazônio geralmente envolvem o uso de metais ou compostos capazes de transferir elétrons como Pd, Cu ou tetratiafulvaleno. Neste trabalho é descrita a redução eletroquímica de dois sais de diazônio: tetrafluoroborato de 2-(2-propen-1-ilóxi)benzenodiazônio (1) e tetrafluoroborato de 2-(2-propen-1-iltio)benzenodiazônio (2) usando três eletrodos: Pt, Hg e pó de grafite. Quando foi feita a eletrólise de (1) utilizando cátodo de Hg vários produtos foram formados envolvendo uma reação de ciclização intramolecular, porém não conseguimos separá-los pelos métodos cromatográficos. A eletrólise de (2) em condições experimentais similares conduziu a uma mistura complexa de produtos provavelmente devido a uma interação do Hg com o átomo de enxofre do substrato e seus produtos de redução. Usando o cátodo de Pt e sal (1) a reação não foi eficiente pois ocorria uma queda brusca da corrente, provavelmente devido ao bloqueio da superfície do eletrodo. Concernente ao eletrodo de pó de grafite, apenas alguns experimentos preliminares foram feitos, portanto uma análise de seu desemprenho é prematura.

Polímeros condutores aplicados a sistemas-modelo de liberação controlada eletroquimicamente de drogas

Este trabalho descreve a síntese, caracterização e aplicação de sistemas poliméricos baseados em polímeros condutores em sistemas de liberação controlada de drogas. Esta tese pode ser dividida em duas partes: na primeira se apresentam os resultados da aplicação de filmes de polianilina e polipirrol na liberação de drogasmodelo como a dopamina protonada e o ácido salicílico. Na liberação de salicilato utilizou-se um filme polianilina eletrosintetizado e dopado com íons cloreto. Já para a liberação de dopamina protonada (um cátion) a liberação foi conduzida a partir de um sistema bicamadas, com um filme de polianilina recoberta com uma camada de Náfion. É mostrada a liberação controlada nos dois casos, porém também se discutem limitaçãoes deste tipo de sistema que levaram ao estudo de uma forma alternativa de controle eletroquímico utilizando polímeros condutores. A segunda parte do trabalho mostra então esta nova metodologia que se baseia em compósitos de poianilina eletropolimerizada no interior de hidrogéis de poliacrilamida. É mostrado que este novo material é eletroativo e mantém as características de intumescimento dos hidrogéis, tanto necessárias ao desenvolvimento destes sistemas de liberação controlada. Mecanismos para o crescimento e distribuição da polianilina na matriz isolante e para a atuação do compósito no controle eletroquímico da liberação são propostos com base nos dados de microscopia de força atômica, Raman e eletrônica de varredura, além de testes de liberação controlada com moléculas de diferentes cargas.

Relação existente entre metavisualização e as representações simbólica e submicro na elaboração de atividade em química

O objetivo desse trabalho foi compreender em que medida uma estratégia metavisual, utilizada em sala de aula, pode ajudar na construção e reconstrução de ideias, especificamente numa atividade introdutória de eletroquímica e quais os fatores envolvidos nesse processo. Para isso, foi desenvolvida uma atividade para o estudo inicial de duas interações eletroquímicas, envolvendo ferro e soluções de sulfato de cobre (II) e ácido sulfúrico. Foi utilizada uma metodologia qualitativa, envolvendo 32 estudantes do 3.o ano do ensino médio de uma mesma escola, idades entre 16 e 18 anos, em que foram feitos os registros audiovisuais dos alunos realizando a atividade e as falas transcritas para análise. Além disso, eles responderam a um questionário para se pesquisar por indícios nas habilidades metavisuais em 1D e 2D e, por último, uma entrevista semiestruturada. Duas categorias foram elaboradas com o objetivo de se classificar as hipóteses propostas para posterior comparação, uma para o nível simbólico e a outra para o submicro, possibilitando a observação de possíveis evoluções e dificuldades encontradas. Com relação às habilidades metavisuais, também foram necessárias três categorias para compor a análise. Os resultados indicam que a estratégia metavisual mostrou-se eficiente para a construção e reconstrução de conceitos associados à eletroquímica, na medida em que as concepções alternativas e dificuldades, comuns nessa área, puderam ser discutidas e modificadas. Houve evolução das hipóteses dos alunos, com intensa modelagem de conceitos, propiciada pela comparação de imagens (metavisualização), tanto no nível simbólico quanto no submicro. Foi observado que os estudantes demonstraram maior dificuldade ao elaborar as hipóteses do submicro, possivelmente por esse nível ter mais detalhes, maior aprofundamento de conceitos, ser mais abstrato e, portanto, não ser natural para os estudantes. Adicionalmente, o tempo de aprendizagem e de modelagem revelou-se diferente para os grupos, o que sugere aos professores considerarem isso no processo ensino-aprendizagem. Finalmente, os resultados parecem apontar também que as habilidades metavisuais e as conexões entre os níveis representacionais podem estar associados a melhores aprendizados e que, muitas vezes, é necessária a utilização de diversas representações e de um tempo maior para que os alunos consigam evoluir. Vale ressaltar que o assunto ainda é pouco pesquisado, se comparado a outros temas e, sendo assim, recomendam-se mais pesquisas sobre as estratégias metacognitivas no ensino de ciências e de química, em que as suas contribuições, no aprendizado dos alunos, possam ser mais investigadas.

Dinâmica molecular de sistemas iônicos poliatômicos: modelos polarizável e não-polarizável

Simulações de sais de carbonato fundidos pelo método de Dinâmica Molecular (MD) foram efetuadas com o modelo polarizável de cargas flutuantes (FC). O modelo de cargas flutuantes implementa os efeitos de polarização pelo método de Lagrangiano estendido, onde as variáveis extras são as próprias cargas parciais do íon poliatômico. O modelo FC foi parametrizado por meio de cálculos ab inito, aplicado ao ânion carbonato. Cálculos de Química Quântica ab initio foram utilizados para corroborar o modelo proposto para o ânion carbonato. Os sistemas investigados consistem em misturas de carbonatos alcalinos fundidos, Li2CO3/K2CO3, os quais são utilizados como eletrólitos em células a combustível. As simulações MD foram utilizadas para verificar o efeito da polarização dos ânions sobre a estrutura e dinâmica do líquido. Estudamos o efeito da inclusão de polarização sobre a condutividade do eletrólito.

Formation of atomic-sized contacts controlled by electrochemical methods

Electrochemical methods have recently become an interesting tool for fabricating and characterizing nanostructures at room temperature. Simplicity, low cost and reversibility are some of the advantages of this technique that allows to work at the nanoscale without requiring sophisticated instrumentation. In our experimental setup, we measure the conductance across a nanocontact fabricated either by dissolving a macroscopic gold wire or by depositing gold in between two separated gold electrodes. We have achieved a high level of control on the electrochemical fabrication of atomic-sized contacts in gold. The use of electrochemistry as a reproducible technique to prepare nanocontacts will open several possibilities that are not feasible with other methodologies. It involves, also, the possibility of reproducing experiments that today are made by more expensive, complicated or irreversible methods. As example, we show here a comparison of the results when looking for shell effects in gold nanocontacts with those obtained by other techniques.

Electrooxidation methods to produce pseudocapacitance-containing porous carbons

Surface oxygen groups play a key role on the performance of porous carbon electrodes for electrochemical capacitors in aqueous media. The electrooxidation method in NaCl electrolyte using a filter press cell and dimensionally stable anodes is proposed as a viable process for the generation of oxygen groups on porous carbon materials. The experimental set-up is so flexible that allows the easy modification of carbon materials with different configurations, i.e. cloths and granular, obtaining different degrees of oxidation for both conformations without the requirement of binders and conductivity promoters. After the electrooxidation method, the attained porosity is maintained between 90 and 75% of the initial values. The surface oxygen groups generated can increase the capacitance up to a 30% when compared to the pristine material. However, a severe oxidation is detrimental since it may decrease the conductivity and increase the resistance for ion mobility.

Electrochemical synthesis at pre-pilot scale of 1-phenylethanol by cathodic reduction of acetophenone using a solid polymer electrolyte

The pre-pilot scale synthesis of 1-phenylethanol was carried out by the cathodic hydrogenation of acetophenone in a 100 cm2 (geometric area) Polymer Electrolyte Membrane Electrochemical Reactor. The cathode was a Pd/C electrode. Hydrogen oxidation on a gas diffusion electrode was chosen as anodic reaction in order to take advantage of the hydrogen evolved during the reduction. This hydrogen oxidation provides the protons needed for the synthesis. The synthesis performed with only a solid polymer electrolyte, spe, has lower fractional conversion although a higher selectivity than that carried out using a support–electrolyte–solvent together with a spe. However, the difference between these two cases is rather small and since the work-up and purification of the final product are much easier when only a spe is used, this last process was chosen for the pre-pilot electrochemical synthesis of 1-phenylethanol.