На правах рукописи

Положенцева Юлия Александровна

ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ КОМПЛЕКСОВ НИКЕЛЯ, МЕДИ И

ЖЕЛЕЗА С ОСНОВАНИЯМИ ШИФФА НА ПОВЕРХНОСТИ

УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА СТРУКТУРУ

ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК

02.00.04 – Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» на кафедре физической химии.

Научный руководитель доктор химических наук, профессор Афанасьев Борис Николаевич

Официальные оппоненты доктор химических наук, профессор Кондратьев Вениамин Владимирович доктор химических наук, профессор Корсаков Владимир Георгиевич

Ведущая организация

Защита диссертации состоится « » 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д при Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) (190013, г. СанктПетербург, Московский пр., 26)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГТИ(ТУ).

Автореферат размещен на сайте Автореферат разослан 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета (звание, должность, фамилия)

ОБЩАЯ ХАРАКТРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Модификация электродных поверхностей тонкими полимерными пленками, содержащими редокс-центры, стала одним из главных направлений исследований в области электрохимии в последние двадцать лет. В качестве материалов-модификаторов широко используются редоксполимеры, полученные на основе комплексов металлов с основаниями Шиффа (поли-[M(Schiff)]), обладающие целым рядом уникальных свойств:

векторной редокс-проводимостью, электрохромизмом, способностью к селективному катализу.

При изучении свойств этих материалов используется весь спектр физических и физико-химических методов. Однако, несмотря на интенсивные исследования к настоящему времени отсутствует единая точка зрения на строение этих полимеров и механизм их проводимости.

Свойства полимерных соединений зависят от природы субстрата, на котором происходит полимеризация, природы центрального атома, входящего в состав мономера, и природы лигандного окружения. Все это позволяет предположить, что свойства этих композитов во многом определяются строением поверхностного слоя, возникающего на границе субстрат/раствор. Однако в литературе практически отсутствуют данные по адсорбции этих соединений.

Углеродные материалы чаще остальных используются при создании современных источников тока. Поэтому работа посвящена исследованию адсорбции комплексов 3d-металлов, имеющих различное электронное строение и структуру, с замещенными и незамещенными основаниями Шиффа на поверхности углеродных материалов.

Целью настоящей работы является изучение закономерностей адсорбции комплексов никеля, меди и железа с основаниями Шиффа на углеродных материалах (чешуйчатом графите и стеклоуглероде), а также установление связи между строением адсорбционного слоя и структурой образующихся полимерных комплексов.

Объекты исследования. В соответствии с целью работы с качестве объектов исследования были выбраны комплексы никеля (II), меди (II), железа (II) и железа (III) с основаниями Шиффа.

Научная новизна.

Впервые получены количественные данные по адсорбции комплексов никеля (II), меди (II) и железа (III) на поверхности чешуйчатого графита Впервые получены данные о емкости двойного электрического слоя (ДЭС) стеклоуглеродного электрода в ацетонитрильных растворах комплексов никеля (II), меди (II), железа (II) и железа (III) с основаниями Шиффа различной концентрации Впервые получены данные о морфологии адсорбционных слоев на основе комплексов никеля (II) и меди (II) с основаниями Шиффа методом атомносиловой микроскопии.

Практическая значимость.

Показана возможность прогнозирования структуры и свойств полимерных пленок комплексов никеля (II), меди (II), железа (II) и железа (III) с основаниями Шиффа на основе изучения закономерностей их адсорбции.

Теоретическая значимость.

Полученные экспериментальные данные расширяют теоретические представления о взаимосвязи структуры и свойств исходных мономерных комплексов и характеристиками их адсорбции на поверхности углеродных материалов. Показано влияние характера адсорбции мономерных комплексов на структуру образованных на их основе полимерных пленок.

На защиту выносятся:

Комплекс экспериментальных данных, характеризующих адсорбцию комплексов никеля, меди и железа с основаниями Шиффа, на поверхности чешуйчатого графита Изменение емкости двойного электрического слоя при адсорбции мономерных комплексов исследуемых соединений на поверхности стеклоуглеродного электрода Вычисленные термодинамические параметры, характеризующие адсорбцию изученных комплексов Закономерности изменения морфологии полимерных комплексов никеля, меди и железа с основаниями Шиффа в зависимости от характера адсорбции мономеров на поверхности электрода Апробация работы.

Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на городском семинаре по электрохимии (Санкт-Петербург, 2009), XXIV Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Санкт-Петербург, 2009), 9-ом Международном Фрумкинском симпозиуме "Электрохимические технологии и материалы XI века"( Москва, 2010), Евразийском симпозиуме по инновациям в катализе и электрохимии (Алматы, 2010), Всероссийском семинаре "Термодинамика поверхностных явлений и адсорбция" (Иваново2007, 2008) Публикации.

По теме диссертации опубликованы 3 статьи и материалы докладов пяти конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы из 115 наименований. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, включает 23 таблицы и 40 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности, научной и практической значимости выбранной темы работы, сформулированы основные цели исследования.

В главе 1 "Аналитический обзор" дан анализ работ, посвященных исследованию закономерностей и механизмов адсорбции соединений, приведены модели математического описания процессов. Рассмотрен механизм и условия формирования полимерных комплексов полиM(Schiff)], природа и характеристики окислительно-восстановительных процессов в полимерных комплексах.

В главе 2 " Методика исследований" представлены методики синтеза комплексов никеля (II), меди (II), железа (II) и железа (III) (рис. 1).

R = H, – [M(SalEn)] – N, N'-этилен-бис(салицилидениминато)металл (II);

R = CH3O, – [M(CH3O-SalEn)] – N,N'-этилен-бис(3метоксисалицилидениминато)металл (II).

[Fe(SalEn)Cl] - N, N'-этилен-бис(салицилидениминато)хлорожелезо (III) Рис. 1 - Исходные соединения и их условные обозначения.

Дана характеристика использованных в работе методов исследования:

адсорбционного метода, вольтамперометрии, спектроскопии фарадеевского импеданса, атомно-силовой микроскопии (исследование проводилось на кафедре химической нанотехнологии и материалов электронной техники СПбГТИ(ТУ)), сканирующей электронной микроскопии (исследование проводилось на факультете физики в РГПУ им. А.И. Герцена).

В главе 3 "Исследование адсорбции комплексов никеля с основаниями Шиффа на углеродных материалах" представлены экспериментальные результаты и их обсуждение.

В работе использован природный крупночешуйчатый графит марки «FG+198», характеристики которого представлены в таблице 1. Удельная площадь поверхности составляла 0.7 м2/г. Количество адсорбированного вещества определяли по убыли этого вещества в объеме раствора:

где C0 и C - концентрация комплексов в исходном растворе и равновесная концентрация комплексов после установления адсорбционного равновесия;

V - объем раствора. Поверхностный избыток приравнивался к поверхностной концентрации:

где A - удельная поверхность графита.

Таблица 1 – Характеристики природного чешуйчатого графита графита На рис. 2 и 3 представлены изотермы адсорбции комплексов [Ni(SalEn)] и [Ni(CH3O-SalEn)].

Рис. 2 – Изотерма адсорбции комплекса [Ni(SalEn)] на чешуйчатом графите при температуре (25 ± 3)оС; () - экспериментальные данные, (—) описание экспериментальных данных изотермой Лэнгмюра.

Рис. 3 – Изотерма адсорбции комплекса [Ni(CH3O-SalEn)] на чешуйчатом графите при температуре (25 ± 3)оС; () - экспериментальные данные, (—) описание экспериментальных данных изотермой БЭТ.

Полученные экспериментальные данные для комплекса [Ni(SalEn)] описываются классической изотермой Лэнгмюра с насыщением. Величина поверхностного избытка, соответствующая максимальному заполнению поверхности адсорбированным веществом (Гmax), составляет (4.5 ± 1.5) 10- моль/м2. Эта величина близка к значению Гmax = 310-6 моль/м2, рассчитанному при условии, что молекула мономера плоско расположена на поверхности углеродного материала. При анализе литературных данных было показано, что в растворах комплекса [Ni(SalEn)] возможно образование димеров, хотя их концентрация, по-видимому, незначительна. Таким образом, на поверхности чешуйчатого графита возможно образование поверхностного слоя, состоящего преимущественно из плоско ориентированных молекул мономера и некоторого количества адсорбированных димеров.

Для комплекса [Ni(CH3O-SalEn)] полученные данные скорее соответствуют случаю полислойной адсорбции. Величина Г max = (8 ± 2)10- моль/м2, что на 40% выше, чем в случае комплекса [Ni(SalEn)]. Таким образом, при адсорбции комплекса [Ni(CH3O-SalEn)] отсутствует слой, состоящий только из молекул мономера, а адсорбируются более сложные структуры, которые образуются на поверхности графита или вблизи его поверхности. Это будет возможно в том случае, если энергия адсорбции молекулы мономера на поверхности графита сравнима с энергией межмолекулярного взаимодействия.

Для оценки энергии взаимодействия адсорбированной молекулы с поверхностью графита, была рассчитана избыточная энергия Гиббса адсорбции:

где G A,G - энергия Гиббса адсорбции, соответствующая изотерме Генри;

- энергия Гиббса адсорбции на границе воздух/раствор.

Значения коэффициентов активности растворенного вещества в объеме раствора рассчитывали по формуле:

где X sat - мольная доля растворенного вещества в насыщенном растворе.

Затем определяли значения коэффициентов активности молекул мономера в поверхностном слое:

где p1 2.1 0.1.

Рассчитанные термодинамические параметры представлены в табл. 2.

Полученные в работе (Можжерина Е.А. Термодинамические свойства и строение поверхностного слоя, возникающего при адсорбции органических соединений из растворов// Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. Санкт-Петербург. 2004.) термодинамические параметры по адсорбции комплекса [Ni(SalEn)] на поверхности терморасширенного графита близки к данным, полученным нами на чешуйчатом графите. Следовательно, адсорбционные параметры слабо зависят от марки графита.

Таблица 2 – Термодинамические параметры, характеризующие адсорбцию комплексов [Ni(SalEn)], [Ni(CH3O-SalEn)], [Cu(SalEn)] и [Fe(SalEn)Cl] на поверхности чешуйчатого графита Значения ( G A ) имеют достаточно высокие отрицательные значения, что указывает на слабую хемосорбцию этих соединений. Высокие значения f ads в случае комплекса [Ni(SalEn)] указывают на возможность образования на поверхности графита «островков», состоящих из насыщенных растворов мономера в ацетонитриле и ацетонитрила в мономере. Относительно низкое значение f ads в случае комплекса [Ni(CH3O-SalEn)] показывает, что при любой концентрации комплекса на поверхности графита существует слой, состоящий из молекул ацетонитрила и мономера, т.е. расслаивание двумерного раствора не происходит.

поверхностного слоя была измерена емкость двойного электрического слоя.

Емкость двойного слоя рассчитывалась из данных спектроскопии фарадеевского импеданса по формуле:

где Cdl - емкость двойного слоя, f max - значение частоты, выраженное в Гц, Rct - сопротивление переносу заряда (поляризационное сопротивление).

Импеданс ячейки моделировался электрической схемой, часто используемой в изучении адсорбции:

Рис. 4 - Эквивалентная схема электрической ячейки: Rs - омическое сопротивление раствора электролита, ZW - импеданс Варбурга, соответствующий условиям полубесконечной диффузии.

Методом спектроскопии фарадеевского импеданса была измерена емкость двойного электрического слоя стеклоуглеродного электрода в растворах комплексов различной концентрации. Для получения классического вида годографа в систему вводилась редокс пара: растворы содержали добавку ферроцена в количестве 110-3 моль/л. Рабочее значение потенциала соответствовало анодному максимуму вольтамперограмм ферроцена (0.44 В). Все потенциалы указаны по отношению к хлорсеребряному электроду, заполненному насыщенным водным раствором хлорида натрия.

Согласно литературным данным, потенциал нулевого заряда графитового электрода в 0,2 моль/л растворе тетрафторобората тетрапропиламмония в ацетонитриле составляет 0,05 В. Поэтому при потенциале 0,44 В заряд поверхности стеклоуглеродного электрода положителен.

На рис. 5 приведены зависимости изменения емкости ДЭС стеклоуглеродного электрода от концентрации комплекса. Изменение емкости - емкость электрода в растворе, содержащем комплекс металла, по сравнению с емкостью электрода в растворе без комплекса. Каждая точка получена усреднением данных не менее трех экспериментов, погрешность составляет ± 2 мкФ/см2. Рис. 5 - Изменение емкости ДЭС стеклоуглеродного электрода в ацетонитрильных растворах комплексов [Ni(SalEn)] и [Ni(CH3O-SalEn)] в зависимости от концентрации комплекса. Состав растворов, содержащих различные концентрации комплексов металлов: С[(С5H5)2Fe] = 110-3 моль/л, С ((Et4N)BF4) = 0,1 моль/л. Рабочее значение потенциала 0,44 В, амплитуда переменного напряжения 5 мВ, диапазон частот 0,1 – 100 000 Гц.

Емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади обкладок конденсатора и обратно пропорциональна расстоянию между его обкладками. Рост емкости может наблюдаться, если происходит увеличение площади обкладок конденсатора или уменьшение расстояния между его обкладками. Полученные адсорбционные параметры для комплексов никеля (II) указывают на хемосорбцию этих соединений на поверхности графита, причем частично с образованием димерных структур в случае комплекса [Ni(SalEn)] и полислойных структур в случае комплекса [Ni(CH3O-SalEn)].

Это исключает возможность уменьшения расстояния между обкладками конденсатора. Следовательно при адсорбции комплексов никеля (II) на поверхности графита образуются электропроводные структуры.

Строение подобных структур можно объяснить, например, стековой моделью, используемой для описания полимерных комплексов полиM(Schiff)]. Согласно этой модели, полимерные комплексы представляют собой стеки, отдельные фрагменты в которых связаны между собой либо за счет взаимодействия -электронного облака ароматической части одной молекулы и металлического центра другой, либо за счет взаимодействия dорбиталей металлических центров двух молекул. Можно предположить, что образование подобных стековых структур возможно уже на стадии адсорбции. При этом происходит частичный перенос заряда с молекул мономера на электрод. Подобная ситуация наблюдалась при изучении адсорбции анилина на положительно заряженной поверхности ртути, в этом случае поверхность границы раздела металл-электролит проходила по поверхности плоско ориентированных молекул анилина (Дяткина С.Л., Дамаскин Б.Б. Кривые дифференциальной емкости ртутного электрода в кислых растворах анилина // Электрохимия.-1966.- Т. 2.- № 11.- С. 1340Таким образом, происходит увеличение площади проводящей поверхности с ростом концентрации комплекса, и наблюдается рост емкости ДЭС.

Введение в структуру молекулы электрондонорного заместителя (метокси-группы) приводит к изменениям в ходе емкостной зависимости (рис. 5). Для комплекса [Ni(CH3O-SalEn)] с увеличением концентрации комплекса емкость ДЭС растет. Однако в области высоких концентраций наблюдается снижение емкости. Можно ожидать, что с ростом концентрации комплекса в растворе число молекул мономера в стеке также возрастает, это приведет к отклонению стека от вертикального положения, что, безусловно, затруднит доступ заряд-компенсирующих ионов к стеку и приведет к снижению емкости ДЭС.

Емкостная зависимость для комплекса [Ni(CH3O-SalEn)] лежит несколько выше соответствующей зависимости для комплекса [Ni(SalEn)].

При введении электрондонорного заместителя в лигандное окружение происходит увеличение электронной плотности, локализованной на лиганде, что в свою очередь снижает потенциальный барьер окисления мономера и образования связи окисленного комплекса с последующей молекулой. В этом случае возрастает число монослоев, и увеличивается площадь проводящей поверхности.

С помощью метода атомно-силовой микроскопии (АСМ) была исследована морфология адсорбционного слоя. Для этого пластинка стеклоуглерода погружалась в раствор комплекса заданной концентрации, затем промывалась ацетонитрилом, и регистрировались АСМ-изображения поверхности. АСМ-изображения были получены на воздухе и обработаны с использованием компьютерной программы NOVA 1138, в результате чего были определены размеры поверхностных структур. На рис. 6 приведены АСМ-изображения поверхности чистой стеклоуглеродной пластины и поверхностей с адсорбированными на них молекулами комплекса.

Рис. 6 - АСМ-изображения поверхности стеклоуглерода (а) чистого ( мкм), и с адсорбированным на ней мономером (б) [Ni(SalEn)], Ск = 510- моль/л (33 мкм), (в) [Ni(CH3O-SalEn)], Ск = 510-3 моль/л (33 мкм). Время выдержки стеклоуглеродной пластины в растворе соответствующего комплекса составляло во всех случаях 3 мин.

Как видно из рис. 6, при адсорбции комплекса [Ni(SalEn)] на поверхности стеклоуглерода образуются островки разного линейного размера: большие порядка 500 нм, неравномерно распределенные по поверхности, и мелкие 10-100 нм, которыми усыпана вся поверхность, высота островков порядка 2 нм.

Комплекс [Ni(CH3O-SalEn)] образует на поверхности стеклоуглерода глобулы диаметром порядка 150-250 нм и высотой порядка 30 нм. На границах глобул видны более мелкие шаровидные образования.

Таким образом, после тщательной промывки пластинки стеклоуглерода на ее поверхности остаются хемосорбированные частицы комплексов, имеющие глобулярную структуру. Размеры этих образований указывают на полислойную адсорбцию, что хорошо согласуется с данными, полученными адсорбционным методом и методом фарадеевского импеданса.

Процессу полимеризации комплексов металлов с основаниями Шиффа предшествует стадия адсорбции мономера на поверхности электрода.

Различия в строении поверхностного слоя, возникающего при адсорбции мономерных комплексов, должны оказывать влияние на структуру и свойства образованных на их основе полимерных комплексов полиM(Sсhiff)]. Для подтверждения этого положения были получены пленки поли-[M(Sсhiff)] из растворов комплексов никеля разной концентрации при пропускании одинакового количества электричества. Средняя толщина пленок определялась по количеству электричества, затраченного на процесс восстановления пленки, и составляла 420 ± 40 нм. Морфология полученных пленок исследовалась с помощью электронного микроскопа при 10 000кратном увеличении (рис. 7).

Рис. 7 - Микрофотографии полимерных пленок комплекса [Ni(SalEn)] (а, б) и [Ni(CH3O-SalEn)] (в, г), полученные методом сканирующей электронной микроскопии. Увеличение - 10 000. Пленки (а, в) получены из растворов комплексов при Ск = 110-4 моль/л, пленки (б, г) при Ск = 110-3 моль/л.

Как видно из приведенных микрофотографий, с ростом концентрации мономера увеличивается неоднородность пленок, растут размеры образующихся глобул, увеличивается пористость.

Таким образом, при адсорбции комплекса [Ni(SalEn)] на поверхности чешуйчатого графита происходит образование поверхностного слоя, состоящего преимущественно из плоско ориентированных молекул мономера и некоторого количества адсорбированных димеров. В случае комплекса [Ni(CH3O-SalEn)] имеет место полислойная адсорбция. Причем отсутствует слой, состоящий только из молекул мономера, а адсорбируются более сложные структуры, которые образуются на поверхности графита или вблизи его поверхности.

Полученные адсорбционные параметры для комплексов никеля (II) указывают на хемосорбцию этих соединений на поверхности графита. При адсорбции комплексов никеля (II) происходит частичный перенос заряда с молекул мономера на графит, это позволяет образовать на поверхности электрода электропроводные структуры.

В главе 4 "Исследование адсорбции комплекса меди с основанием Шиффа на углеродных материалах" представлены экспериментальные результаты и их обсуждение.

На рис. 86представлена изотерма адсорбции комплекса [Cu(SalEn)].

Рис. 8 – Изотерма адсорбции комплекса [Cu(SalEn)] на чешуйчатом графите при температуре (25 ± 3)оС.

Экспериментальные данные, полученные при изучении адсорбции комплекса [Cu(SalEn)], показывают, что величина Гmax выходит на предел, равный (6 ± 1)10-6 моль/м2, а затем наблюдается тенденция к ее увеличению.

Согласно литературным данным, комплекс [Cu(SalEn)] в растворах в основном существует в виде димеров, также возможно образование более сложных соединений. Таким образом, полученное экспериментальное значение Гmax может быть объяснено в рамках адсорбции димеров, имеющих структуру «сэндвича» и плоско расположенных на поверхности графита. При увеличении концентрации комплекса, по-видимому, необходимо учитывать адсорбцию более сложных конгломератов.

Найденное значение ( G A ), также как в случае комплексов никеля, указывает на слабую хемосорбцию этого комплекса. Высокое значение f org предполагает возможность образования на поверхности графита «островков», состоящих из насыщенных растворов мономера в ацетонитриле и ацетонитрила в мономере.

На рис. 9 приведена зависимость изменения емкости ДЭС стеклоуглеродного электрода от концентрации комплекса.

Рис. 9 – Изменение емкости ДЭС стеклоуглеродного электрода в растворах комплекса [Cu(SalEn)] в зависимости от концентрации комплекса. Состав растворов, содержащих различные концентрации комплексов металлов:

С[(С5H5)2Fe] = 110-3 моль/л, С (Et4NBF4) = 0,1 моль/л. Рабочее значение потенциала 0,44 В, амплитуда переменного напряжения 5 мВ, диапазон частот 0,1 – 100 000 Гц.

Для комплекса [Cu(SalEn)] наблюдается падение емкости ДЭС с ростом его концентрации в растворе. Вследствие адсорбции димеров толщина ДЭС увеличивается, что приводит к некоторому снижению емкости.

В то же время снижение емкости сравнительно невелико, это указывает на то, что адсорбция димеров и более сложных конгломератов сопровождается частичным переносом заряда с ассоциатов на положительно заряженную поверхность стеклоуглерода.

Исследования, проведенные методом атомно-силовой микроскопии, подтверждают хемосорбционный характер адсорбции комплекса [Cu(SalEn)] на поверхности стеклоуглерода (рис. 10).

Рис. 10 - АСМ-изображения поверхности стеклоуглерода а) чистого, мкм, б) с адсорбированным на ней мономером [Cu(SalEn)], Ск = 210-3 моль/л 220270 нм. Время выдержки стеклоуглеродной пластины в растворе комплекса составляло во всех случаях 3 мин.

Комплекс [Cu(SalEn)] образует на поверхности стеклоуглерода плотноупакованные глобулы диаметром 80-100 нм, которые в свою очередь состоят из более мелких, диаметром порядка 30 нм. Число более мелких фрагментов в одной глобуле 5-7 шт.

Исследование структуры полимерных пленок поли-[Cu(SalEn)] позволяет сделать вывод, что в случае адсорбции комплекса меди образуется более плотная полимерная пленка по сравнению с комплексом никеля (II) (рис. 11).

Рис. 11 - Микрофотографии полимерных пленок комплекса [Cu(SalEn)], полученные методом сканирующей электронной микроскопии. Увеличение Пленка (а) получена из раствора комплекса при Ск = 110-4 моль/л, пленка (б) при Ск = 110-3 моль/л.

Таким образом, при адсорбции комплекса [Cu(SalEn)] на поверхности углеродных материалов происходит образование поверхностного слоя, состоящего преимущественно из хемосорбированных димеров, имеющих структуру "сэндвича", и более сложных конгломератов. При этом происходит частичный перенос заряда с адсорбированных частиц на поверхность электрода.

В главе 5 "Исследование адсорбции комплексов железа с основаниями Шиффа на углеродных материалах" представлены экспериментальные результаты и их обсуждение.

На рис. 12 представлена изотерма адсорбции комплекса [Fe(SalEn)Cl].

Получить изотерму адсорбции для комплекса Fe(SalEn) не удалось, поскольку при контакте с поверхностью графита происходит его окисление, что подтверждается изменения в УФ-спектре.

Рис. 12 – Изотерма адсорбции комплекса [Fe(SalEn)Cl] на чешуйчатом графите при температуре (25 ± 3)оС; () - экспериментальные данные, (—) описание экспериментальных данных изотермой Лэнгмюра.

Экспериментальные данные, полученные для комплекса [Fe(SalEn)Cl], описываются изотермой Лэнгмюра. Поверхностный избыток Г max равен (2,5 ± 0,5) 10-6 моль/м2, что соответствует образованию монослоя, состоящего из плоско расположенных молекул адсорбированного вещества, на поверхности графита.

Для комплексов [Fe(SalEn)] и [Fe(SalEn)Cl] прослеживается общая тенденция роста емкости ДЭС при увеличении концентрации мономера (рис.

13).

Рис. 13 – Изменение емкости ДЭС стеклоуглеродного электрода в растворах комплексов [Fe(SalEn)] и [Fe(SalEn)Cl] в зависимости от концентрации комплекса. Состав растворов, содержащих различные концентрации комплексов металлов: С[(С5H5)2Fe] = 110-3 моль/л, С (Et4NBF4) = 0,1 моль/л. Рабочее значение потенциала 0,44 В, амплитуда переменного напряжения 5 мВ, диапазон частот 0,1 – 100 000 Гц.

Рост емкости ДЭС с ростом концентрации комплекса [Fe(SalEn)] можно, как в предыдущих случаях, объяснить образованием на поверхности стеклоуглерода стековых структур. Однако согласно адсорбционным данным, комплекс [Fe(SalEn)Cl] на поверхности графита образует монослой, и объяснить увеличение емкости ДЭС с ростом концентрации комплекса на основе стековой модели строения поверхностного слоя не представляется возможным. Для разрешения этого противоречия были проведены вольтамперометрические исследования.

Вольтамперограммы, зарегистрированные в растворе комплекса [Fe(SalEn)Cl], представлены на рис. 14.

Рис. 14 - Циклические вольтамперограммы комплекса [Fe(SalEn)Cl] (Скомпл = 110-3 моль/л) в 0,1 моль/л растворе (Et4N)BF4 в ацетонитриле на стеклоуглеродном электроде. Скорость сканирования потенциала Vs = мВ/с. Цифрами обозначены номера циклов.

Как видно из рис. 14, наблюдается практически необратимое окисление мономера при потенциале +1,5 В, и с увеличением числа циклов токи вольтамперограмм уменьшаются, что указывает на образование на поверхности электрода неэлектроактивной пленки.

Следует отметить, что качественная реакция на хлор ион (добавление к раствору комплекса раствора AgNO3) указывает на наличие в растворе комплекса [Fe(SalEn)Cl] хлоридных ионов. То есть атом хлора в молекуле мономера лабилен, и вероятно, что наряду с образованием неэлектроактивной пленки поли-[Fe(SalEn)Cl] происходит отщепление Cl-иона от молекулы мономера и окисление его на электроде. Причем потенциал окисления Cl--иона находится в той же области, что и потенциал окисления самого комплекса. При этом происходит образование атомарного хлора, который в результате рекомбинации образует молекулярный хлор.

Хлор, как известно, является сильным окислителем, и не исключена вероятность, что окисление молекул мономера происходит не только у поверхности самого электрода, но и хлором, адсорбированным на этой поверхности. Таким образом, часть поверхности может быть блокирована молекулами Cl2, еще не успевшими образовать пузырек газа.

Тот факт, что присутствие ионов хлора действительно оказывает влияние на процесс полимеризации комплексов металлов с основаниями Шиффа, можно увидеть на примере комплекса [Ni(SalEn)] (рис. 15).

Рис. 15 – Циклические вольтамперограммы комплекса [Ni(SalEn)] (Скомпл = 110-3 моль/л) в 0,1 моль/л растворе (Et4N)BF4 в ацетонитриле, содержащем 810-3 моль/л (Et4N)Cl, на стеклоуглеродном электроде. Скорость сканирования потенциала Vs = 50 мВ/с. Цифрами обозначены номера циклов.

Этот комплекс хорошо полимеризуется в ацетонитрильных растворах, образуя на поверхности электродов пленки, обладающие высокой проводимостью и устойчивостью. Однако в присутствие в растворе хлоридных ионов наблюдается необратимое окисление мономера и падение токов с увеличением числа циклов. Потеря пленкой электроактивности может быть связана как с блокировкой поверхности адсорбированными частицами Cl- и Cl2, так и со стабилизацией продуктов окисления комплекса путем координации иона хлора к металлическому центру комплекса, что препятствует образованию связи с последующей молекулой мономера и получению стековой структуры.

Таким образом, при адсорбции комплекса [Fe(SalEn)Cl] на поверхности стеклоуглерода происходит образование мономолекулярного слоя, состоящего из плоско ориентированных молекул мономера. Наряду с этим, часть поверхности занята адсорбированными ионами хлора. Также вероятно, что количество Cl--ионов в приэлектродной области зависит от потенциала электрода. Адсорбция хлорид-ионов на положительно заряженной поверхности стеклоуглерода приводит к увеличению емкости ДЭС.

1. Получены количественные данные, характеризующие адсорбцию комплексов [Ni(SalEn)], [Ni(CH3O-SalEn)], [Cu(SalEn)] и [Fe(SalEn)Cl] на поверхности чешуйчатого графита. Рассчитаны энергия Гиббса адсорбции исследованных комплексов, коэффициенты активности мономеров в поверхностном слое. Полученные значения указывают на слабую хемосорбционную связь молекул мономера с поверхностью графита. Для комплекса [Ni(CH3O-SalEn)] характерна полислойная адсорбция.

2. Методом спектроскопии фарадеевского импеданса измерена емкость двойного электрического слоя (ДЭС) стеклоуглеродного электрода в растворах комплексов [Ni(SalEn)], [Ni(CH3O-SalEn)], [Cu(SalEn)], [Fe(SalEn)] и [Fe(SalEn)Cl] разной концентрации. Показано, что увеличение концентрации комплексов в растворе приводит к возрастанию емкости ДЭС, исключение составляет комплекс [Cu(SalEn)].

3. С использованием метода атомно-силовой микроскопии была изучена морфология адсорбционных слоев комплексов [Ni(SalEn)], [Ni(CH3O-SalEn)], [Cu(SalEn)]. Была показана хемосорбционная природа процесса адсорбции и подтвержден полислойный характер адсорбции этих соединений. Показано, что введение в состав молекулы электрондонорной группы (CH3O) приводит к существенным изменениям в структуре поверхностного слоя.

4. Предложена модель строения поверхностного слоя, образующегося при адсорбции мономерных комплексов [Ni(SalEn)], [Ni(CH3O-SalEn)], [Cu(SalEn)] и [Fe(SalEn)], которая хорошо описывает полученные экспериментальные данные. Процесс адсорбции комплексов сопровождается частичным переносом заряда с молекул мономера на электрод. На поверхности графита может иметь место образование стековых структур.

5. Методом хроновольтамперометрии установлено влияние атома хлора на адсорбцию и полимеризацию комплекса [Fe(SalEn)Cl].

6. Показано, что адсорбция комплекса [Fe(SalEn)Cl] отлична от адсорбции аналогичных комплексов никеля, меди и железа (II). На поверхности графита происходит образование мономолекулярного слоя, состоящего из плоско ориентированных молекул мономера. Наряду с этим, часть поверхности блокирована адсорбированными ионами хлора.

7. С помощью метода сканирующей электронной микроскопии изучена морфология полимерных пленок, образуемых комплексами [Ni(SalEn)], [Ni(CH3O-SalEn)], [Cu(SalEn)]. Показано наличие взаимосвязи между структурой адсорбционных слоев и свойствами образующихся полимеров.

Основное содержание работы

изложено в следующих публикациях:

1. Афанасьев Б.Н., Положенцева Ю.А., Тимонов А.М. Адсорбция мономеров комплексов металлов с основаниями Шиффа, строение и свойства полимерной пленки, образующейся на поверхности графита// Журнал физической химии. 2010. Т. 84. № 12. С. 23472.

2. Афанасьев Б.Н., Положенцева Ю.А., Тимонов А.М. Изучение адсорбции комплексов железа с основаниями Шиффа на углеродных материалах// Известия СПбГТИ(ТУ). 2010 (декабрь) 3. Афанасьев Б.Н., Акулова Ю.П., Положенцева Ю.А. Вычисление коэффициентов активности в поверхностном слое, возникающем на границе воздух/раствор, и оценка поверхностного натяжения органических веществ, находящихся при комнатных температурах в твердом состоянии// Термодинамика поверхностных явлений и адсорбция. Труды Всеросс.

Семинара 25-27.06.2007, Иваново, Плес, 2007, С. 65.

4. Положенцева Ю.А., Афанасьев Б.Н. Изучение адсорбции комплексов никеля с четырехдентатными основаниями Шиффа на поверхности углеродных материалов// Сб. трудов Евразийского сипозиума по инновациям в катализе и электрохимии. 2010. Алматы. Институт органического катализа и электрохимии им. Д.В. Сокольского. С. 5. Положенцева Ю.А., Афанасьев Б.Н. Влияние электрондонорных заместителей на адсорбцию комплекса никеля с лигандом N, N'-этиленбис(салицилиденимином) на поверхности электродных материалов// Материалы докладов XXIV Муждународной Чугаевской конференции по координационной химии. 2009. Санкт-Петербург. С.

6. Положенцева Ю.А., Афанасьев Б.Н. Изучение адсорбции комплексов железа с тетрадентатными основаниями Шиффа на поверхности углеродных материалов // Материалы докладов 9-го Международного фрумкинского симпозиума "Электрохимические технологии и материалы XI века". 2010.

Москва. С. 7. Афанасьев Б.Н., Акулова Ю.П., Положенцева Ю.А., Говорова К.В., Фулик Н.Д., Усова А.Ю. О хемосорбции комплексов никеля и меди с основаниями Шиффа на поверхности стеклографита и железа// Физическая химия поверхностных явлений и адсорбции. Труды конференции. 28.06Иваново. С. 8. Афанасьев Б.Н., Акулова Ю.П., Положенцева Ю.А. Влияние заместителей в составе комплекса никеля с основаниями Шиффа на параметры, характеризующие адсорбцию этих соединений на углеродистых материалах// Физическая химия поверхностных явлений и адсорбции. Труды конференции. 28.06-3.07.2010. Иваново. С. Б.Н. Афанасьев, Ю.А. Положенцева, А.М. Тимонов Изучение адсорбции на углеродных материалах комплекса никеля (II) с лигандом N, N'-этиленбис(3-метоксисалицилиденимином) // Журнал прикладной химии.

Отправлена в редакцию в октябре 2010.