Electrode modification based on metallophthalocyanines and their electrochemical applications


Thesis Type: Postgraduate

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

Approval Date: 2014

Thesis Language: English

Student: MEHMET AYDEMİR

Supervisor: ATIF KOCA

Abstract:

METAL FİTALOSİYANİN TEMELLİ ELEKTROT MODİFİKASYONLARI VE ELEKTROKİMYASAL UYGULAMALARI Fitosiyanin kompleksleri yüksek sıcaklık dayanıklılığına, ışık hassaslığına sahip asit ve bazlarla reaksiyon vermeyen boyar maddelerdir. Son yıllarda ise elektrokromik cihazlarda, organikkataliz, elektro kataliz, fotokataliz, fotovoltaik cihazlarla, lityum ve yakıt pilleri ve kirlilik kontrolü alanlarında gelişen yaygın kullanımı büyük ilgi odağı olmuştur. Bu çalışma, yeni sentezlenmiş üç grup metal fitalosiyanin komplekslerinin elektrokimyasal ve in-situ spektroelektrokimyasal özelliklerini ve sonuçlarıyla birlikte muhtemel teknolojik uygulama alanlarını içerir. InIII, MnIII, and TiIV metal merkezli komplekslerin voltametrik ve spektroelektrokimyasal analizleri, InIIIClPc kompleksinin sadece metal bazlı indirgenme reaksiyonu verirken MnIIIClPc ve TiIVOPc komplekslerinin hem metal hem de fitalosiyanın bazlı indirgenme reaksiyonları verdiği gözlemlenmiştir. Elektrokimyasal ölçümler sırasında, maddelerin çözeltide ve Langmuir-Blodgett çok katmanlı ince filmlerinin moleküler oksijenle etkileşimleri çalışılmış, MnIIIClPc ve TiIVOPc komplekslerinin oksijen sensörü olarak kullanılabileceğini gösteren ORR aktivitelerinde değişiklikler gözlemlenmiştir. İkinci grupta, NiPc, ZnPc, CoPc ve TiOPc maddelerinin çözelti içinde voltametrik ve in-situ spektroelektrokimyasal özellikleri incelenmiş ve sonuçları değerlendirilmiştir. CoPc ve TiOPc komplekslerinin elektron transferleri, bu maddelerinin spektrumlarını önemli ölçüde değiştirmiş, bu da maddelerin özellikle görüntüleme teknolojilerinde pratik uygulamaları için en önemli beklentilerinden biridir. Çözelti içerisinde moleküler oksijenin bulunması, aynı maddelerin elektrokatalitik ve elektrolitik algılama aktivitelerini etkilemiştir. Son grupta, CuPc-odea, CoPc-odea ve metalsiz H2Pc-odea kompleksleri analiz edildi ve bunların elektrokromik özellikleri, yükseltgenme reaksiyonları sırasında elektropolimerleştirilmiş ITO/MPc-odea elektrotlarında çalışıldı. Çözücü, elektrolit tuzu ve ITO üzerinde katma etkileri de ayrıca incelendi. İn situ elektrokronokolometrik ölçümler, ITO/CuPc-odea and ITO/CoPc-odea komplekslerinin hızlı değişim, yüksek verimlilik, kolombik verilerle birlikte, optik kararlılık ve kontrast gibi optimum elektrokromik özellikler göstermektedir ve bu özellikler display teknolojisinde kullanılmasını mümkün kılar. ABSTRACT ELECTRODE MODIFICATION BASED ON METALLOPHTHALOCYANINES AND THEIR ELECTROCHEMICAL APPLICATIONS Metallophthalocyanine complexes (MPc) are colouring materials which present high thermal stability, light fastness, and inertness to acids and alkalis. In recent years there has been considerable interest in developing their use in electrochromic devices, organic catalysis, electrocatalysis, photocatalysis, photovoltaic devices, lithium batteries, fuel cells, pollution control (especially desulfurisation) etc. This study represents the electrochemical and spectroelectrochemical characterizations of three sets of newly synthesized metallophthalocyanine (MPc) complexes and the results for their possible applications in technological fields. Voltammetric and in situ spectroelectrochemical characterization of the compounds bearing InIII, MnIII, and TiIV metal centers have shown that while InIIIClPc gives only Pc based, MnIIIClPc and TiIVOPc undergo both Pc and metal based reduction reactions. During the electrochemical measurements, the interaction of the compounds with molecular oxygen both in solution and in solid states as Langmuir-Blodgett multilayer thin films was studied; MnIIIClPc and TiIVOPc showed electrocatalytic activities for ORR which indicate possible usage of the complexes as molecular oxygen sensor. In the second group, voltammetric and in situ spectroelectrochemical characterization of NiPc, ZnPc, CoPc and TiOPc complexes in solution were examined and the results were assessed. Electron transfer reactions of the CoPc and TiOPc compounds considerably altered the spectra of the complexes that are the most important expectations for the practical applications of the complexes especially in display technologies. The presence of molecular oxygen in the electrolyte affected the same complexes’ electrocatalytic and electrosensing activity. The last set of metallophthalocyanine (MPc) complexes; CuPc-odea, CoPc-odea and metal free H2Pc-odea were analyzed and their electrochromic properties were studied oxidatively on ITO/MPc-odea electrodes constructed by electropolymerization. The affects of solvent, salt and the layer coated on ITO electrode were also investigated. In situ spectrochronocoulometric measurements indicate that ITO/CuPc-odea and ITO/CoPc-odea illustrate fast response time, high efficiency, high columbic and optic stability, and high optical contrast which make them use in display technology.