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실험 8. 순환전압전류법 (Cyclic Voltammetry)을 이용한 전기적 활성물질의 전기화학적 특성 확인 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry)을 통해 전기적 활성물질인 Ru(bpy)32+와 [Fe(CN)6]4-의 전기 화학적인 특성들을 알아보도록 한다. 순환 전압 전류법이란? -작업 전극에 걸어주는 전위변화에 따른 전류 값을 측정하 는 전기 분석법 - 산화-환원반응, 전극표면에서의 흡착과정, 화학적으로 변 성시킨 전극표면의 전자이동 메커니즘연구 등에 사용 물질의 이동과정 1. 농도 기울기에 의한 확산 (diffusion) :용액 속의 물질의 농도 차에 의한 확산으로 이 때 발생하는 전류를 diffusion current라고 한다. 2. 전위 기울기에 의한 이동 (migration) :전하를 띠는 물질이 전위에 의해 전극으로 이동하는 것 –CV에서 이 현상을 억제하기 위해 buffer를 사용한다. 3. 용액의 대류 (convection) : 온도나 밀도차이를 이용한 대류와 stirring, pumping 등에 의한 물질의 이동 유발 -삼전극계 (three electrode system) 작업 전극 (Working electrode) : 산화 또는 환원 반응이 일어나는 전극 기준 전극 (Reference electrode) : 작업 전극에서의 정확한 전압을 측정하기 위해서 기 준이 되는 전극. 작업전극과의 전위를 측정하며, 전압계의 저항이 매우 커 전류가 흐르지 않는다. 보조 전극 (Counter electrode) : 반응에 직접 참여하지 않고, 전위값에 영향을 미치지 않으며 전류가 흐르는 전극 삼전극계 (three electrode system) * 2전극이 아닌 3전극을 사용하는 이유 - 전류를 측정하는 전극과 전압을 측정하는 전극이 같이 있으면, 전 류가 흐름에 따라 전원에서 가한 전위와 전극에서의 전위차이가 발생하여 전압 전류 곡선이 바르게 나오지 않으므로 전류를 측정하는 전극과 전압을 측정하는 전극이 분리된 3전극을 사용한다. 순환전압전류법 -삼전극계 (three electrode system) 전위는 상대적인 값이므로 “0값” 정의가 필요하다. S.H.E(Standard Hydrogen Electrode) 의 전위를 0으로 봤을 때, 기준전극 Ag/AgCl 의 전위는 Ag(s) l AgCl(s) l Cl(aq) (3M sat. KCl) AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl-(aq) E0 = 0.197 V Buffer용액을 사용하는 이유 1.pH 변화를 최소화 2.charge carrier의 역할 3.물질의 이동 중 migration을 억제함 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) 전극 표면 근처에서 어떠 한 반응이 일어나고 있는가 를 가장 직접적으로 파악할 수 있는 방법 시간에 따라 가해지는 전 위는 올라갔다 내려갔다 하 면서 일차함수로 표현 순환전압전류법(Cyclic Voltammetry) Epc : 환원전류가 최대일 때 전압 Epa : 산화전류가 최소일 때 전압 ipc : Epc에서의 순수 패러데이 전류 ipa: Epa에서의 순수 패러데이 전류 (전압이 점점 negative 해질때) -1.1~0.8 V: 전극의 negative potential이 강해 지고 있지만 아직 분석물을 환원시킬 정도의 potential은 아님 -0.8~0.7V: 분석물이 환원되어 양의 current를 발생시킨다. -0.7~0.3V: 전극의 negative potential이 강해 지지만 확산에 의해 전극에 도달하는 양이 줄어 들어 전류값감소. (전압이 점점positive 해질때) -0.3~0.7V: 점차 산화반응이 일어나 산화전류가 흐른다 -0.8~1.1V: 축적된 분석물의 환원생성물이 소진 되면서 전류값 감소 Randles-Sevcik Equation ip=(2.69X105)(n3/2)ACD1/2 v1/2 n : 반쪽 반응에 참여한 전자 수 A : 전극의 면적 (cm2) C : 농도 (mol/cm3) D : Diffusion coefficient (cm2/s) V : 주사속도(V/s) K4[Fe(CN)6] Molecular formula: C6N6FeK4 Molar mass : 368.35g/mol(anhydrous) 422.388g/mol(trihydrate) Density : 1.85 g/cm3 (trihydrate) Melting point : 69-71℃ Potassium ferrocyanide(II) Solubility in water : trihydrate 28.9g/100mL (20 ℃) Ru(bpy)32+ Molecular formula : C30H24Cl2N6Ru·6H2O Molar mass : 748.62 g/mol (hexahydrate) Melting point : 300℃ 이상 Solubility in water : Soluble Structure - Molecular shape : Octahedral - Dipole moment : 0 Tris(2,2'-bipyridyl)dichlororuthenium(II) hexahydrate • Potentiostat : 자동적으로 특정한 전류 전위 값을 가해주는 장치 • 전기화학 셀 2개 • 작업전극 (GC electrode ) • 기준전극 (Ag/AgCl) • 보조전극 (Pt wire) • 메스 플라스크 2개 • 전자저울 1. [Ru(bpy)3]2+ 와 [Fe(CN)6]4- 1.0 mM 표준 용액 제조 - 전해질로서 pH 7.0 PBS buffer를 넣어줌 2. 전극 연마 (polishing) (1) 알루미나분말(연마제)을 이용하여 전극을 연 마천에서 8자를 그리면서 10분 정도 연마 (2) 전극의 표면을 증류수로 깨끗이 세척 3. 전기화학 시스템 구성 (1) 작업 전극(Glassy carbon), 기준 전극(Ag/AgCl), 보조 전극(Pt wire)을 준비 (2) Potentiostat와 세 개의 전극을 연결 (3) 전기화학 셀에 표준 용액을 채우고, 세 개의 전 극을 용액과 접하게 함 (4) Potentiostat의 전원을 켜고, 프로그램을 실행 (5) 각종 parameter을 입력 (전극면적, 기준전극의 종류, 주사속도, 전위) 4. 전기화학적 특성 확인 (1)전위 설정을 조정하여 [Ru(bpy)3]2+와 ferrocyanide의 순환전압전류도(Cyclic Voltammogram)를 얻고 이에 따른 산화, 환원 봉우 리와 산화, 환원 전류를 측정 (2)주사 속도를 바꾸어 가면서 (20, 50, 100, 200, 300mV/s) 순환전압전류도(Cyclic Voltammogram)를 얻음 실험 결과 및 데이터처리 4.00E-05 3.00E-05 2.00E-05 1.00E-05 y = -8.67E-09x + 8.39E-06 y = -6.12E-09x + 8.84E-07 0.00E+00 700 500 300 100 -100 -300 -1.00E-05 -2.00E-05 -3.00E-05 Epc =160.5mV Epa=241.7mV Epc-Epa=81.2=0.081V (이론값 ΔE=59mV) ipc=3.10X10-5A , ipa=-3.14X10-5A -500 6.00E-05 5.00E-05 4.00E-05 3.00E-05 2.00E-05 y = -1.38E-08x + 1.08E-05 1.00E-05 y = -1.02E-08x - 7.34E-08 0.00E+00 -1.00E-05 800 600 400 200 0 -200 -2.00E-05 -3.00E-05 -4.00E-05 -5.00E-05 Epc = 145.6mV Epa= 252.1mV Epc-Epa= 106.5mV =0.1065V ipc= 4.76X10-5A , ipa= -4.61X10-5A -400 8.00E-05 6.00E-05 4.00E-05 2.00E-05 y = -1.58E-08x + 1.36E-05 y = -1.44E-08x - 1.87E-06 0.00E+00 800 600 400 200 0 -200 -2.00E-05 -4.00E-05 -6.00E-05 -8.00E-05 Epc = 134.9mV Epa= 262.2mV Epc-Epa= 127.3mV =0.1273V ipc= 6.53X10-5A , ipa= -6.52X10-5A -400 1.00E-04 8.00E-05 6.00E-05 4.00E-05 2.00E-05 y = -2.56E-08x + 1.76E-05 y = -2.19E-08x - 2.41E-06 0.00E+00 -2.00E-05 800 600 400 200 0 -200 -4.00E-05 -6.00E-05 -8.00E-05 Epc = 128.5mV Epa= 272.2mV Epc-Epa= 143.7mV =0.1437V ipc= 8.31X10-5A , ipa= -8.30X10-5A -400 1.20E-04 1.00E-04 8.00E-05 6.00E-05 4.00E-05 y = -3.44E-08x + 2.25E-05 2.00E-05 y = -2.69E-08x - 1.23E-06 0.00E+00 -2.00E-05 800 600 400 200 0 -200 -4.00E-05 -6.00E-05 -8.00E-05 -1.00E-04 Epc = 111.4 mV Epa= 272.2 mV Epc-Epa= 160.8mV =0.168V ipc= 9.39X10-5A , ipa= -9.46X10-5A -400 1.20E-04 1.00E-04 8.00E-05 6.00E-05 4.00E-05 300mV/s 200mV/s 2.00E-05 100mV/s 0.00E+00 800 -2.00E-05 -4.00E-05 -6.00E-05 -8.00E-05 -1.00E-04 600 400 200 0 -200 -400 50mV/s 20mV/s V V V1/2 Ip 20mV/s 0.02V/s 0.141 3.10X10-5A 50mV/s 0.05V/s 0.224 4.76X10-5A 100mV/s 0.1V/s 0.316 6.53X10-5A 200mV/s 0.2V/s 0.447 8.31X10-5A 300mV/s 0.3V/s 0.548 9.39X10-5A Ip =(2.69X105)(n3/2)ACD1/2 v1/2 그래프의 기울기 : (2.69X105)(n3/2)ACD1/2 1.54 X 10-4 = (2.69X105) X (13/2) X (0.152X3.14) X (1X10-6) X D1/2 D1/2 = 1.621 X 10-3 D = 2.63 X 10-6 cm2/s 0.00012 0.0001 y = 1.54E-04x + 1.24E-05 0.00008 0.00006 0.00004 0.00002 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1.50E-05 1.00E-05 y = -2.32E-08x + 2.45E-05 5.00E-06 y = -3.86E-09x + 4.28E-06 0.00E+00 1500 1200 900 -5.00E-06 -1.00E-05 -1.50E-05 Epc = 1036.7mV Epa= 1091.3 mV Epc-Epa= 54.6 mV = 0.0546 V ipc= 4.62X10-6A , ipa= -6.04X10-6A 600 1.00E-05 8.00E-06 y = -1.63E-08x + 1.70E-05 6.00E-06 4.00E-06 2.00E-06 y = -2.70E-09x + 3.19E-06 0.00E+00 1500 -2.00E-06 1200 900 -4.00E-06 -6.00E-06 -8.00E-06 -1.00E-05 -1.20E-05 Epc = 1039.2mV Epa= 1104.8mV Epc-Epa= 65.6mV = 0.0656V ipc= 7.66X10-6 A , ipa= -9.51X10-6 A 600 1.50E-05 1.00E-05 y = -2.32E-08x + 2.45E-05 5.00E-06 y = -3.86E-09x + 4.28E-06 0.00E+00 1500 1200 900 600 -5.00E-06 -1.00E-05 -1.50E-05 Epc = 1040.7 mV Epa= 1103.9 mV Epc-Epa= 63.2 mV = 0.0632V ipc= 1.04 X 10-5 A , ipa= -1.34 X 10-5 A 2.00E-05 1.50E-05 y = -2.79E-08x + 2.90E-05 1.00E-05 5.00E-06 y = -6.23E-09x + 6.45E-06 0.00E+00 1500 -5.00E-06 1200 900 600 -1.00E-05 -1.50E-05 -2.00E-05 -2.50E-05 Epc = 1039.2 mV Epa= 1102.9 mV Epc-Epa= 63.7mV =0.0637V ipc= 1.58X10-5 A , ipa= -1.84X10-5 A 2.50E-05 2.00E-05 1.50E-05 y = -3.69E-08x + 3.91E-05 1.00E-05 5.00E-06 0.00E+00 1500 -5.00E-06 y = -5.78E-09x + 6.19E-06 1200 900 600 -1.00E-05 -1.50E-05 -2.00E-05 -2.50E-05 -3.00E-05 Epc = 1031.2 mV Epa= 1104.8 mV Epc-Epa= 73.6 mV =0.0736V ipc= 1.86X10-5 A , ipa= -2.33X10-5 A 2.50E-05 2.00E-05 1.50E-05 1.00E-05 5.00E-06 0.00E+00 1500 -5.00E-06 -1.00E-05 -1.50E-05 -2.00E-05 -2.50E-05 -3.00E-05 300mV/s 200mV/s 1200 900 600 100mV/s 50mV/s 20mV/s V V V1/2 Ip 20mV/s 0.02V/s 0.141 4.11X10-6A 50mV/s 0.05V/s 0.224 7.41X10-6 A 100mV/s 0.1V/s 0.316 1.09 X 10-5A 200mV/s 0.2V/s 0.447 1.60X10-5 A 300mV/s 0.3V/s 0.548 1.87X10-5 A ip=(2.69X105)(n3/2)ACD1/2 v1/2 그래프의 기울기 : (2.69X105)(n3/2)ACD1/2 3.64X 10-5 = (2.69X105) X (13/2) X (0.152 X 3.14) X (1 X10-6) X D1/2 0.000025 0.00002 0.000015 y = 3.64E-05x - 7.68E-07 0.00001 0.000005 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1.주사속도에 따라 산화전위와 환원전위가 달라짐 2.CV그래프에서 구한 ipc 와 ipa 값이 다름 3.이론 값 ΔE=57mV와 다소 차이가 있음 원인 • 참고문헌 • Daniel C. Harris Quantitative chemical Analysis 8E • http://www.youtube.com/user/PharmacyBrighton • http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cp/c3cp54720e