Electrochemical and spectroelectrochemical characterization of phthalocyanines and determination of their electrochemical application fields


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Faculty of Engineering, Chemical Engineering, Turkey

Approval Date: 2013

Thesis Language: English

Student: FARUK DEMİR

Supervisor: ATIF KOCA

Abstract:

FTALOSİYANİNLERİN ELEKTROKİMYASAL VE SPEKTROELEKTROKİMYASAL KARAKTERİZASYONU VE ELEKTROKİMYASAL UYGULAMA ALANLARININ BELİRLENMESİ Modern elektrokimya teknolojisinin kimya sanayindeki birçok probleme öncelikli çözümler sunduğu iyi bilinmektedir. Bu tez çalışmasında, yeni sentezlenmiş ftalosiyaninlerin ve elverişli uygulama alanlarının analiz edilmesi amacıyla elektrokimyasal metotlar kullanılmıştır. Ftalosiyaninlerin benzersiz özellikleri; kimyasal sensörler, yakıt pilleri, moleküler metaller, moleküler bilgisayarlar, kirlilik kontrolü ve bilgi teknolojisinde kullanımında dünya çapında bir ilgi oluşmasını sağlamıştır. Bu çalışmada, yeni sentezlenmiş hidrojen, titanyum, kobalt ve nikel ftalosiyaninlerin elektrokimyasal ve spektroelektrokimyasal karakterizasyonu gerçekleştirilmiş ve bu sonuçlar ışığında farklı elektrokimyasal teknolojilerde olası kullanım alanları belirlenmiştir. Titanil ftalosiyaninlerinin çoklu ve tersinir, difüzyon kontrollü ve çok elektronlu redoks reaksiyonları bu komplekslerin özellikle elektro algılama ve elektrokatalitik uygulamalarda kullanılabilirliğini göstermektedir. Bu kompleksler Ag+ ve Pd+2 gibi ağır metalleri çözelti içerisinde ve katı halde algılamaktadır ve oksijeni sulu ve sulu olmayan çözeltilerde katalizlemektedir. Hidrojen, nikel ve kobalt komplekslerinin çevresindeki dietilamin ve dimetilamin grupları indirgenme reaksiyonları esnasında çalışma elektrodu üzerinde elektrokimyasal olarak polimerleşmesini sağlamaktadır. Voltametrik dönüşümlerin potansiyelinin değiştirilmesi elektrokimyasal polimerleşme mekanizmasını etkilemektedir. Ayrıca merkezde bulunan metallerde ayrıca polimerleşmenin değişmesine katkı sağlamaktadır. Söz konusu ftalosiyaninlerin tersinir ve çok elektronlu metal merkezli elektron transfer özellikleri, elektrokatalizör, fotokatalizör, sensör ve benzeri uygulama alanlarında elektrokimyasal uygulamalarının mümkün olduğunu göstermektedir. Bu komplekslerin yükseltgenmiş ve indirgenmiş türlerinin farklı renkleri özellikle elektrokromik ve solvatokromik uygulamalarda, ışık saçan diyotlarda ve benzer işlemlerde uygulanabilirliğini göstermektedir. Q bandının kaybolması ve görünür bölgede yeni bantların oluşmasından ötürü dietilamin bağlı ftalosiyanin komplekslerinin elektron transfer reaksiyonları hem çözeltide hem de katı haldeki optik değişimlerini etkilemektedir. Görünür bölge spektrumundaki optik değişimler görüntüleme teknolojilerindeki kullanımı açısından uygun özellikleri sahip olduğunu göstermektedir. Spektrokronokolometrik ölçümler elektrokimyasal olarak polimerleşebilen ftalosiyanin filmlerinin hızlı değişim, yüksek verim, yüksek kolombik ve optik kararlılık yüksek optik kontrast gibi mükemmel elektrokromik özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. ABSTRACT ELECTROCHEMICAL AND SPECTROELECTROCHEMICAL CHARACTERIZATION OF PHTHALOCYANINES AND DETERMINATION OF THEIR ELECTROCHEMICAL APPLICATION FIELDS It is well known that that modern electrochemical technology can offer the preferred solution to a range of problems in chemical industry. Therefore in this thesis, we have aimed to use electrochemical methods for the analysis of some newly synthesized phthalocyanines and their practical applications. The unique properties of phthalocyanines have generated world-wide interest in their use in chemical sensors, fuel cells, molecular metals, molecular computers, pollution control, and information technology. In this study, electrochemical and spectroelectrochemical characterizations of newly synthesized free, titanyl, cobalt and nickel phthalocyanines, which were peripheral and nonperipheral substituted, were performed and according to these results their possible applications in different electrochemical technologies were determined.Multiple and reversible, diffusion controlled and multi-electron redox reaction of titanyl phthalocyanines indicate possible usage of the complexes especially in electro sensing and electrocatalytic applications. The complexes sense some heavy metals, such as Ag+ and Pd2+ in solution and in solid states and catalyzed molecular oxygen in aqueous and nonaqueous solutions. Diethylamino and dimethylamino groups on the substituents of the free, nickel and cobalt complexes cause electropolymerization of the complexes on the working electrode during the oxidation reactions. Changing the potential window of the voltammetric cycles alters the electropolymerization mechanisms. Types of the metal center of the complexes also affect the electropolymerization mechanism. Reversible and multi-electron metal based electron transfer properties of the relevant phthalocyanines indicated their possible electrochemical application in the fields of electrocatalyst, photocatalyst and sensors. Different color of the oxidized and reduced species of these compounds indicated their possible application in especially electrochromic, solvatochromic and optically light emitting diodes. Electron transfer reactions of diethyl amine substituted phthalocyanine complexes alter the optical responses of the complex in solution as well as in solid state due to the disappearance of the Q band of the complex and observation of new bands in the visible region of the light spectrum. Optical changing’s in the visible light spectrum are the desired properties for a material for the usage in the display technologies. In situ spectrochronocoulometric measurements indicate that electro polymerized Pc films illustrate excellent electrochromic properties with fast response time, high efficiency, high columbic and optic stability, and high optical contrast.