Влияние состава раствора на десорбционное поведение самоорганизованных на золотом электроде нанопленок алкантиолов с различной природой концевой группы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

С помощью вольтамперометрии и хроноамперометрии исследовано влияние состава раствора на электродесорбционное поведение хорошо сформированных на золоте нанопленок (Self-assembled monolayers — SAMs) алкантиолов с примерно одинаковой длиной цепи, но с различной природой концевой группы тиолов (R: –CH3, –CH2OH, –NH2). Для исследованных тиолов гидрофильность концевых групп увеличивается в ряду –CH3 << –NH2 ≤ –CH2OH. Выявлено существенное влияние как анионного, так и катионного состава электролита на электрохимическую стабильность и блокирующую способность SAMs тиолов с различными концевыми группами. Установлено, что в щелочных растворах вне зависимости от природы конечной группы тиола электрохимическая стабильность и блокирующая способность SAMs уменьшается в ряду Li+, Na+, K+. В перхлоратных и хлоридных растворах природа катиона в явной форме проявляется только для тиола с концевой –NH2 группой. Для этого тиола при переходе от щелочной к ClO4–- и Сl–-среде характерна смена вида катодных вольт-амперных кривых, что связано с изменением степени протонирования аминогруппы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. Н. Овчинникова

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: ovchin@solid.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Т. П. Александрова

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН; Новосибирский государственный технический университет

Email: taleks99@mail.ru
Россия, Новосибирск; просп. К. Маркса, 20, Новосибирск, 630073

Список литературы

  1. Galbiati, M., Barraud, C., Tatay, S., Bouzehouane, K., Deranlot, C., Jacquet, E., Fert, A., Seneor, P., Mattana, R., and Petroff, F., Unveiling self-assembled monolayers’ potential for molecular spintronics: spin transport at high voltage, Adv. Mater., 2012, vol. 24, p. 6429.
  2. Gooding, J.J., Mearns, F., Yang, W., and Liu, Self-assembled monolayers into the 21(st) century: recent advances and applications, Electroanalysis, 2003, vol. 15, p. 81.
  3. Porter, M.D., Bright, T.B., Allara, D.L., and Chidsey, C.E.D., Spontaneously Organized Molecular Assemblies. 4. Structural Characterization of N-Alkyl Thiol Monolayers on Gold by Optical Ellipsometry, Infrared Spectroscopy, and Electrochemistry, J. Amer. Chem. Soc., 1987, vol. 109, p. 3559.
  4. Boubour, E. and Lennox, R.B., Potential-induced defects in N-alkanethiol self-assembled monolayers monitored by impedance spectroscopy, J. Phys. Chem. B, 2000, vol. 104, p. 9004.
  5. O’Brien, B., Sahalov, H., and Searson, P.C., The temperature dependence of the impedance of alkanethiol self-assembled monolayers, Appl. Phys. Lett., 2010, vol. 97, p. 043110.
  6. Boubour, E. and Lennox, R.B., Stability of Ω-functionalized self-assembled monolayers as a function of applied potential, Langmuir, 2000, vol. 16, p. 7464.
  7. Dai, J., Li, Z., Jin, J., Cheng, J., Kong, J., and Bi, S., Some thought on the existence of ion and water channels in highly dense and well-ordered CH3-terminated alkanethiol self-assembled monolayers on gold, Biosensors and Bioelectronics, 2009, vol. 24, p. 1074. https://doi.org/10.1016/j.bios.2008.08.034
  8. Chavez, M., Sanchez-Obrero, G., Madueno, R., Sevilla, J.M., Blazquez, M., and Pineda, T., Self-assembled monolayers of O-(2-mercaptoethyl)-O-methyl-hexa(ethyleneglycol) on gold electrodes. Effects yhe nature of solution/electrolyte on formation and electron transfer blocking characteristics, J. Electroanal. Chem., 2022, vol. 914, p. 116303. https://doi.org/10.1016/j.jelchem.2022.116303
  9. Sahalov, H., O’Brien, B., Stebe, K.J., Hristova, K., and Searson, P.C., Influence of applied potential on the impedance of alkanethiol Sams, Langmuir, 2007, vol. 23, p. 9681.
  10. Marmisolle, W.A., Capdevila, D.A., Llave, E., Willams, F.J., and Murgida, D.H., Self-assembled monolayers of NH2-terminated thiolates: order, pKa, and specific adsorption, Langmuir, 2013, vol. 29, p.5351. https://doi.org/10.1021/la304730q
  11. Azzaroni, O., Vela, M.E., Martin, H., Fernandez Creus, A., Andreasen, G., and Salvarezza, R.C., Electrodesorption kinetics and molecular interactions at negatively charged self-assembled thiol monolayers in electrolyte solutions, Langmuir, 2001, vol. 17, p. 6647. https://doi.org/10.1021/la010019v
  12. Calvente, J.J., Lopez-Peres, G., and Ramirez, P., Experimental study of the interplay between long-range electron transfer and redox probe permeation at self-assembled monolayers: evidence for potential-induced ion gating, J. Amer. Chem. Soc., 2005, vol. 127, p. 6476.
  13. Li, J., Liang, K.S., Scoles, G., and Ulman, A., Counterion overlayers at the interface between an electrolyte and an ω-functionalized monolayer self-assembled on gold. An X-ray reflectivity study, Langmuir, 1995, vol. 11, p. 4418.
  14. Овчинникова, С.Н. Сравнительное электрохимическое изучение самоорганизации октантиола из водного и водно-этанольного растворов на золотом электроде. Электрохимия. 2016. Т. 52. С. 301. [Ovchinnikova, S.N., Comparative electrochemical study of self-assembly of octanthiol from aqueous and aqueous ethanol solutions on a gold electrode, Russ. J. Electrochem., 2016, vol. 52, p. 260.]
  15. Ovchinnikova, S. and Aleksandrova, T., Influence of the alkanethiol terminal group nature on the electrochemical stability and blocking ability of self-assembled nanofilms on Au electrode, MATEC Web of Conferences, 2021, vol. 340, p. 01013.
  16. Зелинский, А.Г., Бек, Р.Ю. Твердый электрод с обновляемой путем среза поверхностью. Электрохимия. 1985. Т. 21. С. 66. [Zelinskii, A.G. and Beck, R.Yu., Solid electrode with shear-renewable surface, Electrokhimyia (in Russian), 1985, vol. 21. p. 66.]
  17. Клетеник, Ю.Б., Александрова, Т.П. Субмикронная регенерация поверхности твердых индикаторных электродов. Металлические электроды. Журн. аналит. химии. 1997. Т.52. С.752. [Kletenik, Yu.B. and Aleksandrova, T.P., Submicron regeneration of the surface of solid indicator electrodes. Metal electrodes, Zh. Anal. Khim. (in Russian), 1997, vol. 52, p.752.]
  18. Мичри, А.А., Пшеничников, А.Г., Бурштейн, Р.Х. Определение истинной поверхности гладких золотых электродов. Электрохимия. 1972. Т. 8. С. 364. [Michri, A.A., Pshenichnikov, A.G., and Byrshtein, R.Kh., Determination of the true surface of smooth gold electrodes, Electrokhimiya (in Russian), 1972, vol. 8, p. 364.]
  19. Рогожников, Н.А., Бек, Р.Ю. Емкость двойного слоя и потенциал нулевого заряда золотого электрода в цианистых растворах. Электрохимия. 1987. Т. 23. С. 1440. [Rogozhnikov, N.A. and Beck, R.Yu., Double layer capacitance and zero charge potential of a gold electrode in cyanide solutions, Electrokhimiya (in Russian), 1987, vol. 23, p. 1440.]
  20. Wong, S.S. and Porter, M.D., Origin of the multiple voltammetric desorption waves of long-chain alkanthiolate monolayers chemisorbed on annealed gold electrodes, J. Electroanal. Chem., 2000, vol. 485, p. 135.
  21. Love, J.C., Estroff, L.A., Kriebel, J.K., Nuzzo, R.G., and Whitesides, G.M., Self-assembled monolayers of thiolates on metals as a form of nanotechnology, Chem. Rev., 2005, vol. 105, p. 1103.
  22. Iost, R.M. and Crespilho, F.N., Layer-by-layer self-assembly and electrochemistry: applications in biosensing and bioelectronics, Biosensors and Bioelectronics, 2012, vol. 31, p. 1.
  23. Gooding, J.J. and Ciampi, S., The molecular level modification of surfaces: from self-assembled monolayers to complex molecular assembles, Chem. Soc. Rev., 2011, vol. 40, p. 2704.
  24. Chaki, N.R. and Vijayamohanan, K., Self-assembled monolayers as a tunable platform for biosensor applications, Biosensors and Bioelectronics, 2002, vol. 17, p. 1.
  25. Blake, J. and Raj, M., Regeneration of Gold Surfaces Covered by Adsorbed Thiols and Proteins Using Liquid-Phase Hydrogen Peroxide-Mediated UV-Photooxidation, J. Phys. Chem. C, 2013, vol. 117, p. 1335.
  26. Carvalhal, R.F., Freire, R.S., and Kubota, L.T., Polycrystalline Gold Electrodes: A Comparative Study of Pretreatment Procedures Used for Cleaning and Thiol Self-Assembly Monolayer Formation, Electroanalysis, 2005, vol. 17, p. 1251.
  27. Yang, D., Wilde, C.P., and Morin, M., Electrochemical desorption and adsorption of nonyl mercaptan at gold single electrode surfaces, Langmuir, 1996, vol. 12, p. 6570.
  28. Walczak, M.M., Aves, C.A., Lamp, B.D., and Porter, M.D., Electrochemical and X-ray photoelectron spectroscopic evidence for differences in the binding sites of alkanethiolate monolayers chemisorbed at gold, J. Electroanal. Chem., 1995, vol. 396, p. 103.
  29. Muglari, M.I., Erbe, A., Chen, Y., Barth, C., Koelsch, P., and Rohwerder, M., Modulation of electrochemical hydrogen evolution rare by araliphatic thiol monolayers on gold, Electrochim. Acta, 2013, vol. 90, p. 17.
  30. Kislenko, S.A., Nikitina, V.A., and Nazmutdinov, R.R., A molecular dynamics study of the ionic and molecular permeability of alkanethiol monolayers on the gold electrode surface, High energy Chem., 2015, vol. 49, p. 341. https://doi.org/10.1134/S0018143915050069
  31. Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1979. 480 c. [Lur’e, Yu.Yu., Handbook of Analytical Chemistry (in Russian), Moscow: Khimiya, 1979. 480 p.]
  32. Бек, Р.Ю., Махнырь, Н.В., Зелинский, А.Г. Емкость двойного слоя обновляемого золотого электрода. Электрохимия. 1975. Т. 11. С. 1607. [Beck, R.Yu., Makhnyr’, N.V., and Zelinskii, A.G., Capacitance of electric double-layer at a recoverable gold electrode, Electrochimiya (in Russian), 1975, vol. 11, p. 1503.]
  33. Chen, A. and Lipkowski, J., Electrochemical and spectroscopic studies of hydroxide adsorption at the Au(111) electrode, J. Phys. Chem. B, 1999, vol. 103, p. 682.
  34. Strbac, S. and Adzic, R.R., The influence of OH- chemisorption on the catalytic properties of gold single crystal surfaces for oxygen reduction in alkaline solutions, J. Electroanal. Chem., 1996, vol. 403, p. 169.
  35. Shi, Z. and Lipkowski, J., Chloride adsorption at the Au(111) electrode surface, J. Electroanal. Chem., 1996, vol. 403, р. 225.
  36. Marmisolle, W.A., Capdevila, D.A., Llave, E., Willams, F.J., and Murgida, D.H., Self-assembled monolayers of NH2-terminated thiolates: order, pKa, and specific adsorption, Langmuir, 2013, vol. 29, p. 5351.
  37. Крестов, Г.А. Ионная сольватация, М.: Наука, 1987. 320 с. [Krestov, G.A., Ionic solvation (in Russian), Moscow: Nauka, 1987. 320 p.]

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Катодные вольтамперограммы Au/SAMs электродов, полученных при выдержке 120 с при Е = −200 мВ в деаэрированном 0.02 М растворе: 1 — LiOH, 2 — NaOН, 3 — KOH в присутствии 0.1 мМ тиолов с разной концевой группой: –CH3 (а), –CH2OH (б), –NH2 (в).

Скачать (168KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Катодные вольтамперограммы Au/SR–NH2 электрода, полученного при выдержке 120 с при Е = −200 мВ в деаэрированном растворе 0.1 мМ тиола + 0.02 М щелочного (а) и перхлоратного (б) раствора с разными катионами: 1 — Li+, 2 — Na+, 3 — K+.

Скачать (110KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Катодные вольтамперограммы Au/SR–NH2 электрода, полученного при выдержке 120 с в аэрированном растворе: (а) 0.1 мМ тиола и 0.02 М NaOH при разных потенциалах Е, В: 1 — (–0.2), 2 — (–0.6), 3 — (–0.7), 4 — (–0.8); (б) 0.1 мМ тиола и 0.02 М (NaClO4 + NaOH) при Е= –200 мВ при разных рН раствора: 1 — 6.0 (0.02 М NaClO4), 2 — 11.2, 3 — 11.9, 4 — 12.3 (0.02 М NaOH).

Скачать (117KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024