Nghiên cứu tổng hợp hợp chất dẫn điện từ Tetracyanoquinondimetan (TCNQ

Header Page of 166 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỢP CHẤT DẪN ĐIỆN TỪ TETRACYANOQUINONDIMETAN (TCNQ) Mã số: Đ2014-03-63 Chủ nhiệm đề tài: Ths Trần Đức Mạnh Footer Page of 166 Đà Nẵng, Tháng 11 Năm 2014 Header Page of 166 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỢP CHẤT DẪN ĐIỆN TỪ TETRACYANOQUINONDIMETAN (TCNQ) Mã số: Đ2014-03-63 Xác nhận quan chủ trì đề tài Footer Page of 166 Chủ nhiệm đề tài Đà Nẵng, Tháng 11 Năm 2014 Header Page of 166 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN Chủ nhiệm đề tài: Ths Trần Đức Mạnh Những người tham gia: TS Vũ Thị Duyên Ths Võ Thắng Nguyên Đơn vị phối hợp chính: Khoa Hóa, trường Đại học Monash - Australia Footer Page of 166 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp hợp chất dẫn điện từ tetracyanoquinondimetan (TCNQ) - Mã số: Đ2014-03-63 - Chủ nhiệm: Ths Trần Đức Mạnh Điện thoại quan: 05113.833327, Di động: Email: ducmanhdng@gmail.com duc.tran@monash.edu.au - Thành viên tham gia: TS Vũ Thị Duyên, Ths Võ Thắng Nguyên - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng Địa chỉ: Số 459 Tôn Đức Thắng, thành phố Đà Nẵng Điện thoại: 05113 841323, Email: dhsp@dng.vnn.vn - Thời gian thực hiện: 12 tháng, từ tháng năm 2014 đến tháng 12 năm 2014 Mục tiêu: Đưa phương pháp tổng hợp hóa học điện hóa để tổng hợp hợp chất từ tetracyanoquinodimetan (TCNQ) với cation kim loại chuyển tiếp như; Cu, Ag+, aminoaxit Proline Nghiên cứu cấu trúc hợp chất tạo thành Đánh giá tính chất hóa lý như: khả dẫn điện, tính oxi hoá khử hợp chất ứng dụng Tính sáng tạo: - Đưa phương pháp hóa học điện hóa để tổng hợp số hợp chất từ kim loại amino axit với tetracyanoquinodimetan (TCNQ) - Đóng góp thêm thông tin khoa học hợp chât tạo thành từ TCNQ - Đây công trình nghiên cứu Việt Nam TCNQ Tóm tắt kết nghiên cứu: 1, AgTCNQ tổng hợp hai hình dạng màu sắc tinh thể khác Tuy nhiên cấu trúc tinh thể tính chất phổ hai trạng thái giống nhau, có khả chúng pha Quá trình khử TCNQ(MeCN) Ag+(MeCN) điện cực làm việc GC, Pt ITO, tạo thành tinh thể AgTCNQ hình thái học giống Tại giá trị thấp có thể, nồng độ TCNQ.- bề mặt điện cực thấp, tinh thể màu đỏ hình thành bề mặt điện cực Sau thời gian dài âm hơn, nồng độ TCNQ.- bề mặt điện cực cao tạo điều kiện cho việc tạo tinh thể nhỏ cách nhanh thông qua trình khử Ag+[(TCNQ.)(TCNQ)](MeCN) Điều dẫn đến tạo màng mỏng vi tinh thể màu xanh AgTCNQ tinh thể hình kim màu đỏ Tại âm nữa, mầm kim loại Ag hạn chế phát triển AgTCNQ Sự ảnh hưởng nồng độ TCNQ.-(MeCN) vào hình thái vật liệu kết tinh điện hóa liên Footer Page of 166 pháp tổng hợp hóa học, nồng độ Ag+(MeCN) quan đến4phương Header Page of 166 TCNQ.là thấp sản phẩm tinh thể AgTCNQ hình kim màu đỏ giống trường hợp kim loại Ag dung dịch TCNQ(MeCN) vi tinh thể AgTCNQ màu xanh đun hồi lưu MeCN Ngược lại, hỗn hợp Ag+(MeCN) TCNQ.-(MeCN) nồng độ cao tạo nhanh chống vi tinh thể AgTCNQ mà xanh AgTCNQ tạo điện cực biến đổi TCNQ(s) 0,1 M AgNO3(aq) Ở kết tủa kim loại Ag vào tinh thể TCNQ(s) thực trình trao đổi điện tích Các kết nghiên cứu X-Ray, IR, powder X-ray… cho thấy tồn hai hình thái khác CuI(TCNQ) ĐIều cho thấy sản phẩm động học pha I CuTCNQ hòa tan CH3CN sau từ từ chuyển sang trạng thái vật liệu CuTCNQ (II) ổn định mặt nhiệt động học Cả hai pha vật liệu tinh thể màu tím Không thể phân biệt thông thường hai pha mà phải sử dụng SEM để phân biệt Thành phần hóa học tính chất điện cửa hai pha CuTCNQ giống nhau, cấu trúc tính chất khác hoàn toàn Sự biến đổi từ pha I sang pha II thực thông qua điều khiển điều kiện phản ứng Các liệu dẫn điện cho thấy CuTCNQ pha I chất bán dẫn lúc CuTCNQ (II) chất gần không dẫn Đã tổng hợp phức chất có tính bán dẫn từ amino axit L-prolin với TCNQ Cấu trúc phân tử sản phẩm mô tả công thức (Pro2H+)2(TCNQ.-)2.TCNQ (Pro2H+)2(TCNQ.-)2.TCNQ xây dựng từ sở cation anion mạng lưới hai chiều hỗ trợ mở rộng tương tác liên kết Hydro dẫn đến có tính chất điện bất thường Các tính chất hóa lý sản phẩm hoàn toàn phù hợp với cấu trúc tinh thể Phản ứng N,N-dimetyl-D-proline metyl ester với LiTCNQ tạo hỗn hợp hai tinh thể với tỷ lệ khác Các tinh thể tách tay tinh thể đặc trưng phương pháp phân tích bao gồm cấu trúc đơn tinh thể X- Ray, phổ IR, Raman trạng thái rắn điện hóa dung dịch Các kết phân tích cho thấy tồn hai tinh thể với hai tỷ lệ khác nhau; 1:1 [Pro(CH3)2TCNQ] and 2:3 [(Pro(CH3)2)2(TCNQ)3] Điều đặc biệt phương pháp điện hóa cung cấp phương pháp nhạy để phát chắn hai tỷ lệ Quan trọng độ dẫn điện hỗn hợp tinh thể tìm thấy 3,1 x 10-2 S.cm-1, nằm phạm vi chất bán dẫn Tên sản phẩm: Tài liệu kết nghiên cứu: Báo cáo tổng kết Kết phân tích cấu trúc sản phẩm tạo thành từ TCNQ Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Số báo công bố: 01 Footer PageSố of báo166 cáo hội nghị khoa học: 01 (MeCN) Header Page of 166 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: The synthesis of semiconductor compounds from tetracyaniquinondimethane (TCNQ) Code number: Đ2014-03-63 Project Leader:Ms Tran Duc Manh Office tel: 05113.833327, Di động: Email: ducmanhdng@gmail.com duc.tran@monash.edu.au Coordinator: Dr Vu Thi Duyen, Ms Vo Thang Nguyen Implementing institution: Danang University of Education Address: 459 Ton Duc Thang St., Danang City Tel: 05113841323 ; E-mail: dhsp@dng.vnn.vn Duration: From January 2014 to December 2014 Objective(s): Given the integrated approach to chemical and electrochemical synthesis of compounds from tetracyanoquinodimethan (TCNQ) with transition metal cations such as: Cu, Ag and amino acid proline Study about Structure of new compounds Evaluation of physicochemical properties such as electrical conductivity, oxidation-reduction properties of the new compounds and its application Creativeness and innovativeness: Given the chemical and electrochemically methods for the synthesis of some compounds from metals and amino acids with tetracyanoquinodimethan (TCNQ) Contributed more information for scientific resources about about the compounds formed by TCNQ This is the first project about studies of TCNQ in Vietnam Research results: 1, AgTCNQ may be synthesized in two different shaped and colored crystalline forms However, the crystal structure and spectroscopic properties of the two forms appear to be identical and hence potentially are the same phase Reduction of TCNQ(MeCN) in the presence of Ag+(MeCN) at GC, Pt, and ITO electrodes lectrocrystallizes either of the AgTCNQ morphologies At minimum possible deposition potentials, the concentration of TCNQ.-(MeCN) at the electrode surface is low, allowing slow growth of high aspect ratio, red needle AgTCNQ crystals at well-spaced defect sites present on electrode surfaces After longer periods and at more negative deposition potentials, the higher concentration of TCNQ.-(MeCN) favors faster growth of smaller crystals via reduction of Ag+[(TCNQ.)(TCNQ)](MeCN) This results in deposition of a blue microcrystalline Footer Page thin of 166 AgTCNQ film over the red needles At even more negative potentials, Header Page of 166 Ag(metal) nucleates, inhibiting growth of AgTCNQ The effect of TCNQ.(MeCN) concentration on crystal morphology of electrocrystallized material can be related to the chemical synthetic routes, where low concentrations of Ag+(MeCN) and TCNQ.-(MeCN) produce red needles of AgTCNQ, as also is the case when Ag(metal) is placed into a solution of TCNQ(MeCN) and when blue microcrystalline AgTCNQ is refluxed in acetonitrile In contrast, mixing high concentrations of Ag+(MeCN) and TCNQ.-(MeCN) results in rapid precipitation of blue icrocrystalline AgTCNQ AgTCNQ can also form on a TCNQ(s) modified electrode in 0.1 M AgNO3(aq) where deposition of Ag(metal) onto the TCNQ(s) crystals allows a charge transfer process to occur The results of this study establish the existence of two markedly different polymorphs of CuI(TCNQ) by X-ray photoelectron spectroscopy, infrared spectroscopy, powder X-ray diffraction techniques, and single-crystal Xray methods The key to this discovery was the recognition that the kinetic product (phase I) is soluble in acetonitrile and slowly converts to a more thermodynamically stable material (phase II) Both phases are dark purple, crystalline materials, and without the use of scanning electron microscopy and powder X-ray methods, it is not trivial to distinguish between the two samples Conductivity data on pressed pellets of bulk samples of the two phases support the conclusion that the material responsible for switching in the films is phase II, which is a very poor semiconductor Phase I is a much better conductor It make informations for next studies we have reported the first example of an amino acid/TCNQ derived semiconductor The X-ray structure for the proline derivative shows a novel and unpredicted structure ((Pro2H+)2(TCNQ.-)2).TCNQ is derived from sheets of cations and anions in the two-dimensional lattice supported by extensive H-bonding interactions resulting in unusual electronic properties The extensive physicochemical characterization of this material is in complete accord with the crystal structure The reaction mixture of N,N-dimethyl-D-proline methylester with LiTCNQ afforded a mixture of crystals with two cation : anion stoichiometries These were separated by hand and each crystal form subjected to a series of analyses including single crystal X-ray diffraction, IR, Raman in the solid state and solution electrochemistry This analysis demonstrated the existence of two stoichiometries; the : [Pro(CH3)3TCNQ] and : [(Pro(CH3)3)2(TCNQ)3] Interestingly, the electrochemical technique provided an exceptionally sensitive method of distinguishing these two stoichiometries and is definitive with or without X-ray crystallographic characterisation Interestingly, the conductivity of the mixture of crystals (3,1 x 10-2 S.cm-1) was found to lie in the range Footer Page 7for ofa166 observed semiconductor Header Page of 166 Products: Material of research results: final report Results of the structural analysis of the products formed by TCNQ Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: The number of articles published: 01 The number of reports at scientific conferences : 01 Header Page of 166 Footer Page of 166 Header Page of 166 MỞ ĐẦU Chất dẫn điện hữu tổng hợp từ TCNQ dẫn xuất trở thành hướng nghiên cứu hấp dẫn từ lần phát vào năm 1970 Hầu hết chất dẫn điện nói tạo thành từ hợp chất trao đổi điện tích anion TCNQ(1-) với cation thích hợp khác chẳng hạn cation kim loại, phức chất kim hay cation hữu Thú vị nữa, hợp chất trao đổi điên tích hữu tuý TCNQ-TTF tổng hợp lại có độ dẫn điện kim loại Điều có giá trị việc ứng dụng chất hợp chất hữu vào lĩnh vực điện tử Nhiều hợp chất TCNQ(1-) mang tính chất dẫn điện cao Do đó, chúng nghiên cứu để ứng dụng nhiều lĩnh vục điện tử, chẳng hạn tụ điện điện phân, công tắc điện tử, vật liệu lưu trữ quang học Mặc dù vài ví dụ hợp chất TCNQ phân tử sinh học khác nghiên cưú năm gần đâu , việc xác định cấu trúc chúng lại chưa thành công Đặc biệt Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu TCNQ Một lượng lớn hợp chất bán dẫn lai hoá thông dụng dựa TCNQ phát triển ứng dụng tiêu biểu bán dẫn, xúc tác, điện Vì việc nghiên cứu tổng hợp hợp chất có khả dẫn điện từ tetracyanoquinodimethan (TCNQ) cần thiết Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đưa phương pháp tổng hợp hóa học điện hóa để tổng hợp hợp chất từ tetracyanoquinodimethan (TCNQ) với cation kim loại chuyển tiếp như; Cu, Ag+, aminoaxit Proline Nghiên cứu cấu trúc hợp chất tạo thành Đánh giá tính chất hóa lý hợp chất ứng dụng Nội dung phương pháp nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lý thuyết tetracyanoquinodimethan (TCNQ) Nghiên cứu quy trình tổng hợp hợp chất từ tetracyanoquinodimethan (TCNQ) với cation kim loại chuyển tiếp như: Cu2+, Ag+ Nghiên cứu quy trình tổng hợp hợp chất từ TCNQ với aminoaxit Proline, Khảo sát cấu trúc, tính chất dẫn điện hợp chất tạo thành phương pháp phân tích đại Ý nghĩa đề tài Đây công trình nghiên cứu có tính chất định hướng cho ứng dụng Các kết đề tài góp phần bổ sung vào việc tổng hợp hợp chất hữu có tính bán dẫn, ứng dụng khác cho khoa Footer of 166 họcPage kỹ thuật Chương 1: Khái quát chung polime dẫn điện ứng dụng Lịch sử phát triển Polime dẫn điện , Bản chất tính dẫn điện Polime dẫn, Tổng quan TCNQ dẫn xuất TCNQ Chương 2: phương pháp nghiên cứu - thực nghiệm Hóa chất, dụng cụ, Tổng hợp chất, Tổng hợp AgTCNQ , Tổng hợp CuTCNQ, Tổng hợp ProTCNQ , Tổng hợp N,N-dimetyl- Prolin metyl este với TCNQ Phương pháp nghiên cứu tính chất hợp chất: Kính hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp nhiễu xạ tia X, Phương pháp phổ hồng ngoại IR, phương pháp đo độ dẫn điện Chương 3: Kết thảo luận Tổng hợp AgTCNQ Tính chất AgTCNQ,( tạm gọi pha I pha II) tổng hợp phương pháp hóa học Header Page 10 of 166 Hình 1: Hình ảnh SEM AgTCNQ tổng hợp phương pháp hóa học AgTCNQ màu xanh (a, c), màu đỏ (b d) kính hiển vi quang học ( a b) Kết phổ AgTCNQ tổng hợp phương pháp hóa học (hình 2) Phổ IR (hình b) Raman (hình a) phân biệt hai pha I II này, nhiễu xạ tia X cho kết giống cho pha I pha II (hình c) Hình (a) phổ Raman, (b) phổ IR (c) phổ X- ray tinh thể AgTCNQ xanh Footer Page 10 ofđỏ166 tạo thành ppth hóa học, (d) X-của AgTCNQ pic 470 mV, dòng điện cắt ngang 510 mV, điều cho thấy có chế tạo mầm phát triển mầm trình oxi hóa Ag kim loại 560 mV Giải điện hóa khám phá tổng hợp tinh thể màu xanh AgTCNQ cố định bề mặt điện cực GC đặt tiếp xúc dung dịch 0,1 M AgNO3 quét hướng dương bắt đầu 510 mV ( giao với điện cho trình giả kết tủa kim loại Ag) (hình 6b), Quá trình giải tinh thể AgTCNQ đỏ (tổng hợp phương pháp hóa học) bề mặt điện cực xuất pic oxi hóa nhỏ 540 mV hai pic giải 710 760 mV (hình 6.c) Dữ liệu giản đồ quét tuần hoàn cho TCNQ điện cực GC (bằng phương pháp thả đúc) dung dịch 0,1 M AgNO3(aq), trình kết tủa giải kim loại Ag thể (hình 7) Tuy nhiên, đảo chiều hướng quét ban đầu xuất pic rộng đối xứng trình oxi hóa, giống pic tìm thấy trình giải tinh thể màu xanh AgTCNQ Trong chu kỳ quét lần thứ hai, pic giải xác định 710 mV, giống dự kiến tinh thể màu đỏ AgTCNQ tạo thành Header Page 14 of 166 Hình : Quét vòng tuần hoàn nước (0,1 M AgNO3(aq)) điện cực GC đường kình mm, tốc độ quét 20 mV s-1 cho: (a) Kết tủa Ag giải kết tủa Ag kim loại, (b) giải tinh thể màu xanh AgTCNQ, (c) giải tinh thể màu đỏ AgTCNQ Quét vòng tuần hoàn với điện cực có TCNQ(s) bám bề mặt điện cực (bằng phương pháp học) ( hình 7b) giống với phương pháp thả đúc, xuất pic lớn cho trình giải AgTCNQ 690 mV lần quét Đến vòng quét thứ hai xuất pic giải Footer of 166 710Page mV 14 đến vòng thứ 10 xuất 720 mV Cho thấy cho thấy có biến đổi từ màu đỏ sang màu xanh AgTCNQ tạo thành Header Page 15 of 166 Hình 7: Dữ liệu quét vòng tuần hoàn nước (0,1 M AgNO3(aq)), điện cực GC đường kính mm, tốc độ quét 20 mV/s cho : (a) TCNQ(s) cố định GC phương pháp thả đúc, (b) TCNQ(s) cố định GC phương pháp học cọ xát, (c) AgTCNQ cố định GC từ 9,1 mM TCNQ(MeCN) Ag+(MeCN) MeCN Cuối kết tinh điện hóa AgTCNQ điện cực GC thực hiên từ 9,1 mM Ag+(MeCN) TCNQ(MeCN) MeCN (0,1 M Bu4NBF6) điện 300 mV 30 giây -100 mV 1s Thí nghiệm trước tạo tinh thể AgTCNQ màu đỏ màu xanh sau tạo tinh thể màu đỏ AgTCNQ Điện cực làm việc sau lấy nhẹ nhàng từ dung dịch, sau nhỏ khoảng giọt MeCN để loại bỏ TCNQ, Ag+ dư, chất điện ly Điện cực chứa AgTCNQ sau nhúng vào dung dịch 0,1 M AgNO3(aq) AgTCNQ kết tủa 300 mV từ MeCN, sau xuất pic nhọn giải AgTCNQ 750 mV, AgTCNQ tạo thành -100 mV xuất pic giải rộng 740 mV (hình 7.c) Các pic giải tìm thấy thí nghiệm nhọn kéo nhẹ phía điện dương so với pic tìm thấy phương pháp tổng hợp hóa học Điều cho thấy trình giải AgTCNQ bề mặt điện cực nhạy với cách tạo AgTCNQ Kiểm tra sản phẩm tinh thể điện hóa AgTCNQ kính hiển vi, phổ quang học, nhiễu xạ tia X Sự phân biệt tinh thể AgTCNQ thực điện hóa, hình thái màu sắc Footer Page 15 of 166 Hình ảnh SEM tinh thể điện hóa AgTCNQ điện cực làm việc GC từ hỗn hợp 9,1 mM TCNQ(MeCN) Ag+(MeCN) MeCN (0,1 M Bu4NBF4) cho thấy thu tinh thể hình kim (hình 8) Màu sắc tinh thể kết tinh điện hóa AgTCNQ tạo thành quan sát kính hiển vi quang học Khi kim loại Ag kết tủa bề mặt điện cực -100 mV 10s từ 10 mM Ag+(MeCN) MeCN ( 0,1 M Bu4MBF4), sau điện cực rửa với 10 mM TCNQ(MeCN) 30 giây (hình 9.a) thu lượng nhỏ tinh thể hình kim màu đỏ với Ag sót laị Nếu tiếp tục tăng thời gian TCNQ(MeCN) lên 60 giây lúc tất kim loại Ag chuyển thành tinh thể màu đỏ lớn trước Kết tinh tinh thể AgTCNQ điện cực làm việc GC 300 mV (Ikh) 10 giây từ 9,1 mM TCNQ(MeCN) Ag+(MeCN) MeCN ( 0,1 M Bu4NBF4) (hình 9.b) tạo tinh thể hình kim màu đỏ sợi nano Ngược lại kết tinh điện thực mV (Ikh + IIkh) 10 giây tạo toàn bề mặt điện cực tinh thể màu xanh (hình 9.c) Tuy nhiên, kiểm tra kỹ thấy tinh thể màu xanh phủ lên tinh thể hình kim màu đỏ Nếu kết tinh điện thực -100 mV (Ikh +IIkh + Ag+kh) 120 giây (hình 9.d), kim loại Ag tạo thành bề mặt điện cực, vài tinh thể hình kim màu đỏ điện cực tinh thể màu xanh phủ lên tinh thể màu đỏ hai bên điện cực Quét tuyến tính với tốc độ quét 100 mV s-1 cho điện từ 1,1 V đến V tạo bề mặt tinh thể thể hình kim màu đỏ dày đặc Giản đồ quét vòng tuần hoàn từ 1,1 V đến -300 mV quay lại 1,1 V tạo lớp hình kim màu đỏ phủ lên lớp màu xanh Rõ ràng số tinh thể AgTCNQ bám bề mặt điện cực làm việc, có pic giải chúng giản đồ quét tuần hoàn Header Page 16 of 166 Hình 8: SEM AgTCNQ kết tinh điện hóa từ 9,1 mM TCNQ(MeCN) Ag+(MeCN) MeCN( 0,1 M Bu4NBF4) điện cực làm việc GC đường kính mm điện giữ tại: (a) 240 mV 30 giây, (b) -100 mV 30 giây (c) quét tuyến tính từ 800 đến -100 mV với tốc độ quét 100 mV s-1 Footer Page 16 of 166 Header Page 17 of 166 Hình Hình ảnh SEM AgTCNQ tạo thành điện cực GC đường kính mm: (a) kim loại Ag kết tủa từ 10 mM Ag+(MeCN) MeCN (0,1 M Bu4NBF4) -100 mV 10 giấy, rửa MeCN đặt 10 mM TCNQ(MeCN) 30 giây; (b,c,d) kết tinh điện hóa từ 9,1 mM TCNQ(MeCN) Ag+(MeCN) MeCN (0,1 M Bu4NBF4) (b) 300 mV 10 giây, (c) V 10 giây, (d) -100 mV 120 giấy; (e, f) 0,1 M AgNO3(aq) thông qua (e) trình khử TCNQ(s) điện cực 400 mV 30 giây (f) sau 10,5 chu kỳ quét từ 900 đến 400 mV Cơ chế trình tạo thành AgTCNQ Cơ chế trình điện hóa tạo AgTCNQ phức tạp Các mảng tinh thể hình kim màu đỏ AgTCNQ tạo thành điện dương ( trình Ikh) thời gian ngắn, mà TCNQ(MeCN) bị khử tạo thành TCNQ.- Ag+(MeCN) Điều cho thấy tinh thể hình kim màu đỏ AgTCNQ tạo thành trình phát triển tinh thể chậm mà nồng độ Ag+(MeCN) TCNQ.-(MeCN) thấp Quá trình thể phương trình phương trình sau Ag+[(TCNQ.-)(TCNQ)](MeCN) + TCNQ.-(MeCN) Ag+ + TCNQ (MeCN) (MeCN) Ag+[(TCNQ.-)(TCNQ)](MeCN) + e- kêt tua [Ag+TCNQ.-](s) + TCNQ (MeCN) Kết luận AgTCNQ tổng hợp hai hình dạng màu sắc tinh thể khác Tuy nhiên cấu trúc tinh thể tính chất phổ hai trạng thái giống nhau, có khả chúng pha Quá trình khử TCNQ(MeCN) Ag+(MeCN) điện cực làm việc GC, Pt ITO, tạo thành tinh thể AgTCNQ hình thái học giống Tại giá trị thấp có thể, nồng độ TCNQ.- bề mặt điện cực thấp, tinh thể màu đỏ hình thành bề mặt điện cực Sau thời gian dài âm hơn, nồng Footer of bề 166 độ Page TCNQ17 mặt điện cực cao tạo điều kiện cho việc tạo tinh thể nhỏ cách nhanh thông qua trình khử Ag+[(TCNQ.)(TCNQ)](MeCN) Điều dẫn đến tạo màng mỏng vi tinh thể màu xanh AgTCNQ tinh thể hình kim màu đỏ Tại âm nữa, mầm kim loại Ag hạn chế phát triển AgTCNQ Sự ảnh hưởng nồng độ TCNQ.-(MeCN) vào hình thái vật liệu kết tinh điện hóa liên quan đến phương pháp tổng hợp hóa học, nồng độ Ag+(MeCN) TCNQ.-(MeCN) thấp sản phẩm tinh thể AgTCNQ hình kim màu đỏ giống trường hợp kim loại Ag dung dịch TCNQ(MeCN) vi tinh thể AgTCNQ màu xanh đun hồi lưu MeCN Ngược lại, hỗn hợp Ag+(MeCN) TCNQ.-(MeCN) nồng độ cao tạo nhanh chống vi tinh thể AgTCNQ mà xanh AgTCNQ tạo điện cực biến đổi TCNQ(s) 0,1 M AgNO3(aq) Ở kết tủa kim loại Ag vào tinh thể TCNQ(s) thực trình trao đổi điện tích Tuy nhiên, khó khăn để kiểm soát hình thái trường hợp Tổng hợp CuTCNQ Nghiên cứu cấu trúc phổ sản phẩm Các liệu pha I pha II CuTCNQ thể bảng Header Page 18 of 166 Bảng 2: Dữ liệu IR XPS cho CuTCNQ Cu(DM-DCNQI)2 XPS BEa(eV) IR ʋ(C≡N)(cm-1) CuTCNQ Pha I hình 2199, 2172 kimb 2211, 2172 Pha II dạng c Cu(TCNQ)b 2200, 2170 δ(C-H)(cm1 ) 825 825 XPS sánh so Cu 2p3/2; 2p1/2; N1s 932,0; 951,9; 398,7 932,1; 952,0; 398,7 826 931,2; 951,0; 398,1 Cu(DM2139 931,6; 933,6; DCNQI)2 943; 962 a b Năng lượng liên kết, CuI + TCNQ phương pháp tổng hợp Melby[25], c Phương pháp thứ cho tổng hợp pha I Quang phổ điện tử X- Ray: Các liệu quang phổ X-Ray hai pha CuTCNQ (I) (II) thể bảng hình 10 Từ ta thấy hai pha I, II tồn Cu(I), xuất (II), biểu có loại TCNQ mà Phổ IR: Các liệu phù hợp với có mặt TCNQ- hỗn hợp lớp hóa trị TCNQ/TCNQ-1 mà TCNQ TCNQ2-.Điều phù hợp với báo cáo IR việc tổng hợp pha I trước Còn Footer of có 166 phaPage II thì18 chưa liệu để so sánh Header Page 19 of 166 Hình 10: Dữ liệu quang phổ điện tử XPS Cu vùng 2p3/2 2p1/2 CuTCNQ pha I CuTCNQ pha II Nghiên cứu X-Ray cho pha chuẩn bị hóa học Sự phân biệt rõ ràng hai pha CuTCNQ thực nghiên cứu X-Ray chúng Hình 11: Phổ XRD cho CuTCNQ: (a) pha I hình kim, (b) pha II hình Nghiên cứu cấu trúc SEM Từ hình 12a, b thấy có khác biệt hình thái rõ ràng pha CuTCNQ Pha I tinh thể hình kim pha II tinh thể hình nhỏ (a) Pha I (b) Pha II Hình 12: SEM cho CuTCNQ pha I CuTCQN pha II ( mẫu chuẩn bị dung dịch) (độ phân giải μm) Phân tích cấu trúc pha Pha I: Các liệu phân tích cho thấy tinh thể CuTCNQ (I) nằm nhóm đơn tà, cấu trúc đưa lại cho thấy với tỷ lệ Cu/TCNQ 50/50 Footer Page 19 of 166 Header Page 20 of 166 Hình 13: Pha I: (a) đơn vị không đối xứng (b) cấu trúc mở rộng Pha II: Các liệu CuTCNQ (II) cho thấy nằm nhóm không gian P2/n Cấu trúc không đối xứng thể hình 14a Tứ diện hình học khác với CuTCNQ (I) phối tử TCNQ liền kề song song với nhau, chiều dài tiếp xúc hai TCNQ song song 6,8 A0 (hình 14b) Đây cấu trúc lạ Hình 14: Pha II: (a) đơn vị không đối xứng với ký hiệu nguyên tử, (b) cấu trúc mở rộng mặt phẳng bc Hình 15: Sự định hướng TCNQ- pha I pha II Hình 16:20 Cấu Footer Page oftrúc 166.mạng cho CuTCNQ : (a) pha I (b) pha II Tính dẫn: Header Page 21 of 166 Hình 17: Đồ thị thể thay đổi độ dẫn so với nhiệt độ cho CuTCNQ pha I pha II Hai pha CuTCNQ tạo thành đo độ dẫn điện cho thấy có khác (hình 17) Cả hai hoạt động chất bán dẫn CuTCNQ (I) hoạt động chất bán dẫn nhiệt độ phòng 2,5 x 10-1 S cm-1 CuTCNQ(II) gần cách điện nhiệt độ phòng độ dẫn 1,3 x 10-5 S cm-1 Khoảng cách hai mức lượng pha I 0,137 eV pha II 0,332 eV Kết luận Các kết nghiên cứu X-Ray, IR, powder X-ray… cho thấy tồn hai hình thái khác CuI(TCNQ) Điều cho thấy sản phẩm động học pha I CuTCNQ hòa tan CH3CN sau từ từ chuyển sang trạng thái vật liệu CuTCNQ (II) ổn định mặt nhiệt động học Cả hai pha vật liệu tinh thể màu tím Không thể phân biệt thông thường hai pha mà phải sử dụng SEM để phân biệt.Thành phần hóa học tính chất điện cửa hai pha CuTCNQ giống nhau, cấu trúc tính chất khác hoàn toàn Sự biến đổi từ pha I sang pha II thực thông qua điều khiển điều kiện phản ứng Các liệu dẫn điện cho thấy CuTCNQ pha I chất bán dẫn lúc CuTCNQ (II) chất gần không dẫn Điều cung cấp thông tin quan trọng cho nghiên cứu sau Tổng hợp ProTCNQ Cấu trúc phức (Pro2H+)2(TCNQ.-)2.TCNQ (viết tắt ProTCNQ) Cấu trúc bất đối xứng sản phẩm chứa hai tinh thể prolin độc lập ba nửa phân tử TCNQ (Hình 18a, tên gọi tương ứng TCNQ-A, TCNQ-B, TCNQ-C) TCNQ-A TCNQ-C gốc anion TCNQ.-, TCNQ-B phân tử trung hòa TCNQ0 Cấu trúc bao gồm lớp xen kẽ cation prolin gốc TCNQ (Hình 18b) Trong trường hợp phân tử TCNQ phẳng hình thành ba chuỗi 1D xác định lực liên kết yếu hydro nhóm -CN H cho phân tử TCNQ (Hình 18c) Chính chuỗi tạo liên kết song song với qua trục b Có nhiều lực21 liên Л-Л mạnh phân tử TCNQ-A TCNQ-C Như Footer Page ofkết 166 chuỗi TCNQ-A TCNQ-C xếp chồng lên tạo thành mội cặp Л chặt chẽ Các phân tử TCNQ-B trung hòa đặt phân tử TCNQ-A TCNQ-C Tuy nhiên tương tác liên kết Л chúng hình thành Hai tinh thể prolin độc lập hình thành nửa thành phần phức kết nối liên kết hydro cấu trúc 2D Việc phân tích chiều dài liên kết cho thấy nguyên tử hydro (H1C) chia sẻ cho hai phân tử prolin Cuối lớp TCNQ tương tác với cation prolin thông qua liên kết hydro nhóm -CN TCNQ/TCNQ.-và nhóm amoni prolin Header Page 22 of 166 Hình 18:Cấu trúc phức chất (Pro2H+)2(TCNQ.-)2.TCNQ Phân tích phổ sản phẩm: Phổ Raman: Phổ Raman công cụ để phân biệt TCNQ0 tự anion TCNQ.- Hình 19: Phổ Raman TCNQ0 (hình a) ProTCNQ (hình b) Footer Page 22 of 166 TCNQ0 thể pic (Hình 19 a) là: nhóm C≡N 2227 cm , nhóm C=C 1601 cm-1 , vòng exo C=C 1454 cm-1 liên kết CH 1205 cm-1, Tinh thể ProTCNQ (hình 19b) thể xuất hai nhánh 2194 cm-1 1387 cm-1, điều phù hợp với xuất TCNQ._ Điều thú vị liệu phổ cho thấy vòng exo C=C TCNQ kéo dài tới 1454 cm-1 nhánh C-H 1205 cm-1 chuyển sang 1466 cm-1và 1187 cm-1 tương ứng phân tử ProTCNQ Điều không mong đợi cho phức TCNQ Các liệu Phổ 1HNMR, Phổ FT-IR, phổ MS, phân tích nguyên tố cho thấy phù hợp Phổ UV-Vis: Phổ UV-Vis ProTCNQ khảo sát dung môi CH3CN cho thấy tồn TCNQ0 TCNQ.- (Hình 20) Header-1Page 23 of 166 Hình 20: Phổ UV-Vis sản phẩm ProTCNQ(0,2mM TCNQ CH3CN (màu đen), sau thêm 0,1 mM Prolin (màu đỏ), sau phản ứng bóng tối (khoảng đỏ nâu) sau để bóng tối qua đêm (màu nâu) Volammetry ProTCNQ hòa tan CH3CN cho thấy chuỗi TCNQ có thành phần gồm TCNQ.- TCNQ0 (hình 21) Mặc dù dung dịch dẫn ProTCNQ CH3CN giới hạn tới 2.0mScm-1mol-1 (KCl 140 mScm-1mol-1) để phù hợp cho phân ly ion Hình 21: Volammetry trạng thái ổn định thu với điện cực làm việc Pt đường kính 10μm, tốc độ quét 50mVs-1 Độ dẫn trạng thái rắn ProTCNQ nén đo 2,5mScm-1 295 K Điều thể nằm phạm vi bán dẫn (10-5 tới 106 mScm-1) Điện trở tăng lên nhiệt độ hạ xuống (Hình 22) Điều thấy ProTCNQ Footer Page 23 of 166 hoạt động chất bán dẫn với lượng bên (Ea) 11,3±0,1 Kjmol phạm vi nhiệt độ 300 đến 130K Header Page -1 24 of 166 Hình 22: Sự phụ thuộc điện trở sản phẩm vào nhiệt độ Kết luận Đã tổng hợp phức chất có tính bán dẫn từ amino axit Lprolin với TCNQ Cấu trúc phân tử sản phẩm mô tả công thức (Pro2H+)2(TCNQ.-)2.TCNQ (Pro2H+)2(TCNQ.-)2.TCNQ xây dựng từ sở cation anion mạng lưới hai chiều hỗ trợ mở rộng tương tác liên kết Hydro dẫn đến có tính chất điện bất thường Các tính chất hóa lý sản phẩm hoàn toàn phù hợp với cấu trúc tinh thể Việc tổng hợp thành phần phức thực nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm việc chuyển đổi trạng tháng rắn – rắn, trạng thái lỏng - rắn sản phẩm ProTCNQ Tổng hợp phức chất N,N-dimetyl- Prolin metyl este vớiTCNQ Phân tích cấu trúc X-Ray 1:1 ProTCNQ Tinh thể đơn màu tím đậm 1:1 ProTCNQ thu cẩn thận tay 1:1 ProTCNQ kết tinh không gian đơn tà nhóm P21, với đơn vị không đối xứng cation Pro(CH3)3 anion TCNQ ( Hình 23) Cấu trúc tinh thể cho thấy cấu trúc lớp Hình 23: Cấu trúc đơn vị không đối xứng 1:1 ProTCNQ Hình 24: Hình ảnh tinh thể 1:1 ProTCNQ dọc theo mặt phẳng bc Footer Page 24 of 166 Phân tích cấu trúc X-ray 2:3 ProTCNQ Tinh thể đơn màu tím 2:3 ProTCNQ thu phương pháp giống 1:1 ProTCNQ, kết tinh nhóm không gian đơn ta P21/c với đơn vị không đối xứng có chứa cation Pro(CH3)3+ với nửa tinh thể học gốc TCNQ (hình 25) có tên tương ứng TCNQ-A TCNQ-B Cấu trúc bao gồm lớp xen kẽ Pro(CH3)3+ (TCNQ)32- Từ kết phân tích độ dài liên kết gốc TCNQ, mức độ truyền điện tích (ρ) thu -0,30 cho TCNQ-A -0,94 cho TCNQ-B Do TCNQ- A coi gần phân tử TCNQ0, TCNQ-B gần với gốc anion TCNQ1- Header Page 25 of 166 Hình 25: Cấu trúc bất đối xứng 2:3 ProTCNQ Hình 26: Hình ảnh cột TCNQ 2:3 ProTCNQ, TCNQ-A (màu cam), TCNQ-B (xanh đậm) Hình 27: Hình ảnh tinh thể 2:3 ProTCNQ, xem dọc theo cột; TCNQ-A (màu cam), TCNQ-B (xanh đậm) Trong trường hợp gốc TCNQ gần với mặt phẳng Hai loại TCNQ tạo thành hai chuỗi 1D riêng biệt xác định liên kết yếu hydro nhóm CN H gốc TCNQ (hình 26), gần song song với (góc nhị diện TCNQ-A mặt phằng TCNQ-B 2,34 ) Các chuỗi TCNQ xếp chồng lên dọc theo trục c tạo thành lớp 2D với mô hình ba – ABB- (hình 27) Có tương tác mạnh π-π chuỗi chứa gốc TCNQ-A TCNQ-B Lớp TCNQ định hướng với lớp TCNQ bên cạnh góc 1430 (hình 27) Các cation Pro(CH3)3+ liên kết liên kết hydro tạo thành lớp 2D (hình 27) Footer Page 25 of 166 Cuối cùng, lớp TCNQ tương tác với cation Pro(CH3)3+ thông qua liên kết hydro yếu nhóm CN anion TCNQ nhóm CH cation Pr(CH3)3 (bảng 3) Do xây dựng nên lớp cấu trúc hình 27 Phổ Raman Header Page 26 of 166 Hình 28: Phổ Raman cho (a) phân tử TCNQ0, (b) tinh thể 1:1 ProTCNQ (c) 2:3 ProTCNQ Điện hóa tinh thể tạo thành Quét vòng tuần hoàn Quét vòng tuần hoàn trạng thái ổn định 2.8 0.16 I/[nA] 1.4 I / [uA] (b) 0.32 (a) 0.0 100 mV/s 200 300 400 500 -1.4 -2.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 E/[V] vs Ag/Ag 0.2 0.4 0.00 -0.16 -0.32 0.6 -0.8 -0.6 0.4 0.6 + -0.4 -0.2 0.0 0.2 + E/[V] vs Ag/Ag 0.4 0.6 0.8 2.8 I/[nA] 1.4 (c) 0.0 -1.4 -2.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 + E/[V] vs Ag/Ag Hình 29: (a) quét vòng tuần hoàn tinh thể đơn 1:1 ProTCNQ (b) giản đồ quét trạng thái ổn định 1:1 ProTCNQ (0,2 mM) CH3CN (0,1 M Bu4NBF6 (c) giản đồ quét trạng thái ổn định 2:3 ProTCNQ (0,3 mM) Kiểm tra vị trí dòng điện giản đồ quét trạng thái ổn định thu cho tinh thể 1:1 ProTCNQ sử dụng vi điện cực Pt đường kính 10 mm (hình 29b) cho thấy dung dịch chứa hoàn toàn ( gần 100%) monoanion TCNQ1- TCNQ1- bị oxi hóa tạo thành TCNQ0, dẫn đến dòng điện tăng dương khử TCNQ2- vị trí dòng điện Footer Page 26 of 166 nằm xác trình TCNQ0/1- TCNQ1-/2- chứng minh tỷ lệ cân hóa học tinh thể 1:1 Giản đồ quét trạng thái ổn định thu (hình 29c) dung dịch chứa 2:3 ProTCNQ cho thấy có mặt TCNQ0 trung lập monoanion TCNQ1- có mẫu Phân tích định lượng dòng điện liên quan đến trình cho thấy dong điện oxi hóa xuất phát từ monoanion TCNQ1- chiếm khoảng 67% (khoảng 2/3) tổng số dòng điện, số lại (1/3) dòng khử sinh từ TCNQ0 Tỷ lệ dòng oxi hóa/ dòng khử cho thấy tỷ lệ tinh thể 2:3 Cuối thấy dấu hiệu chứng minh cho tồn TCNQ2- tinh thể ban đầu Kết luận Phản ứng N,N-dimetyl-D-proline metyl ester với LiTCNQ tạo hỗn hợp hai tinh thể với tỷ lệ khác Các tinh thể tách tay tinh thể đặc trưng phương pháp phân tích bao gồm cấu trúc đơn tinh thể X- Ray, phổ IR, Raman trạng thái rắn điện hóa dung dịch Các kết phân tích cho thấy tồn hai tinh thể với hai tỷ lệ khác nhau; 1:1 [Pro(CH3)2TCNQ] and 2:3 [(Pro(CH3)2)2(TCNQ)3] Điều đặc biệt phương pháp điện hóa cung cấp phương pháp nhạy để phát chắn hai tỷ lệ Quan trọng độ dẫn điện hỗn hợp tinh thể tìm thấy 3,1 x 10-2 S.cm-1, nằm phạm vi chất bán dẫn Header Page 27 of 166 Footer Page 27 of 166 Kết luận kiến nghị Kết luận: Trên sở kết nghiên cứu đạt đề tài, đưa kết cụ thể sau: - Đã nghiên cứu tổng hợp thành công AgTCNQ phương pháp tổng hợp hóa học phương pháp điện hóa, Tuy nhiên cấu trúc tinh thể tính chất phổ hai trạng thái giống nhau, có khả chúng pha - Đã nghiên cứu tổng hợp hóa học phân tích thành công cấu trúc hợp chất Cu với TCNQ - Đã nghiên cứu tổng hợp thành công hợp chất prolin với TCNQ phân tích sản phẩm ProTCNQ tạo thành, cho thấy hợp chất có tính bán dẫn - Đã nghiên cứu tổng hợp thành công hợp chất N,N- dimetyl prolin metyl este với TCNQ, phân tích cấu trúc hỗn hợp sản phẩm tạo thành Header Page 28 of 166 Kiến nghị: - Để tiếp tục phát triển kết nghiên cứu đạt đề tài này, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu sau: - Tiếp tục nghiên cứu tổng hợp hai phương pháp hóa học điện hóa để tổng hợp TCNQ với cation kim loại khác - Tiếp tục nghiên cứu tổng hợp hai phương pháp hóa học điện hóa để tổng hợp TCNQ với amino axit khác - Tiếp tục nghiên cứu tổng hợp hai phương pháp hóa học điện hóa để tổng hợp TCNQF4 với cation kim loại khác - Tiếp tục nghiên cứu tổng hợp hai phương pháp hóa học điện hóa để tổng hợp TCNQF4 với amino axit Footer Page 28 of 166 ... Proline Nghiên cứu cấu trúc hợp chất tạo thành Đánh giá tính chất hóa lý hợp chất ứng dụng Nội dung phương pháp nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lý thuyết tetracyanoquinodimethan (TCNQ) Nghiên cứu... Australia Footer Page of 166 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp hợp chất dẫn điện từ tetracyanoquinondimetan (TCNQ) - Mã số: Đ2014-03-63 - Chủ nhiệm: Ths... TCNQ.-(MeCN) thấp Quá trình thể phương trình phương trình sau Ag+ [(TCNQ. - )(TCNQ) ](MeCN) + TCNQ.-(MeCN) Ag+ + TCNQ (MeCN) (MeCN) Ag+ [(TCNQ. - )(TCNQ) ](MeCN) + e- kêt tua [Ag+TCNQ.-](s) + TCNQ (MeCN) Kết