F
AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJOMAGISTRSKO DELO
Domen Obrez
Ljubljana, 2022
F
AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJOMAGISTRSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM 2. STOPNJE KEMIJA
Študije in uporaba bakrovih elektrod v sodobni elektroanalizi
MAGISTRSKO DELO
Domen Obrez
M
ENTOR: izr. prof. dr. Mitja Kolar S
OMENTOR: znan. svet. dr. Samo Hočevar
Ljubljana, februar 2022
IZJAVA O AVTORSTVU
magistrskega dela
Spodaj podpisani Domen Obrez sem avtor magistrskega dela z naslovom: Študije in uporaba bakrovih elektrod v sodobni elektroanalizi.
S svojim podpisom zagotavljam, da:
• je magistrsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom izr.
prof. dr. Mitje Kolarja in somentorstvom znan. svet. dr. Sama Hočevarja;
• sem poskrbel, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v
predloženem magistrskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;
• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje
predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);
• sem poskrbel za slovnično in oblikovno korektnost magistrskega dela;
• je elektronska oblika magistrskega dela identična tiskani obliki magistrskega dela.
V Ljubljani, dne 10. 2. 2022 Podpis avtorja:
je bilo opravljeno na Kemijskem inštitutu pod skrbništvom znan. svet. dr. Sama Hočevarja.
Senat UL FKKT je za mentorja imenoval izr. prof. dr. Mitjo Kolarja in za somentorja znan. svet. dr. Sama Hočevarja.
Recenzenti:
predsednica komisije: izr. prof. dr. Romana Cerc Korošec član komisije: izr. prof. dr. Drago Kočar
Komisija za oceno in zagovor magistrskega dela
Predsednica komisije: izr. prof. dr. Romana Cerc Korošec
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Član: izr. prof. dr. Mitja Kolar
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Član: izr. prof. dr. Drago Kočar
Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Član: znan. svet. dr. Samo Hočevar
Kemijski Inštitut
Iskreno se zahvaljujem mentorju izr. prof. dr. Mitji Kolarju za vso pomoč in nasvete pri raziskovanju, pisanju ter za pregled magistrske naloge. Najlepša hvala delovnemu mentorju znan. svet. dr. Samu Hočevarju za omogočitev opravljanja raziskovalnega dela na Odseku za analizno kemijo na Kemijskem Inštitutu in vsa usmerjanja pri raziskovanju ter pomoč v stiskah in težavah pri delu v laboratoriju in pregled magistrske naloge.
Zahvala gre tudi ostalemu osebju Odseka za analizno kemijo, še posebej dr. Teji Romih, dr. Leji Žibert, dr. Kristjanu Vidoviću in Jeleni Isailović za pomoč in spodbudo.
Posebej bi se rad zahvalil tudi svoji družini, ki mi je bila ves čas v oporo, verjela vame, me spodbujala in mi sploh omogočila študij.
Hvala tudi vsem prijateljem za spodbudne besede in moralno podporo.
1 UVOD ... 1
2 TEORETIČNI DEL IN PREGLED LITERATURE ... 3
2.1 Težke kovine... 3
2.1.1 Svinec ... 3
2.1.2 Kadmij ... 4
2.2 Elektrokemijske tehnike ... 5
2.2.1 Voltametrija ... 6
2.2.2 Ciklična voltametrija ... 7
2.2.3 Voltametrija s kvadratnimi valovi ... 10
2.3 Vrste delovnih elektrod ... 14
2.3.1 Elektroda iz steklastega ogljika ... 15
2.3.2 Tankoslojne (kovinske) elektrode ... 17
2.3.3 Elektrode, proizvedene s tehnologijo sitotiska (tiskane elektrode) ... 18
2.3.4 Bakrove elektrode ... 19
3 NAMEN DELA ... 21
4 EKSPERIMENTALNI DEL ... 23
4.1 Kemikalije ... 23
4.1.1 Kisline ... 23
4.1.2 Standardne raztopine (za ICP) ... 23
4.1.3 Ostale kemikalije ... 23
4.2 Instrumentacija ... 23
4.3 Priprava raztopin... 24
4.3.1 Priprava medijev za elektrokemijsko celico ... 24
4.3.2 Priprava standardnih raztopin bakra in analitov ... 25
4.4 Predpriprava elektrod ... 25
4.4.1 Elektroda iz steklastega ogljika (GCE) ... 25
4.4.2 Izvedba meritev s tiskanimi elektrodami – SPE ... 26
4.4.4 Elektroda iz bakrove žice ... 26
4.5 Izvedba elektrokemijskih meritev ... 27
4.5.1 Izvedba meritev s CuFE, pripravljeno na in situ način... 27
4.5.2 Izvedba meritev s CuFE, pripravljeno na ex situ način ... 30
4.5.3 Izvedba meritev s tiskanimi elektrodami – SPE ... 33
4.5.4 Izvedba meritev z bakrovimi elektrodami ... 35
4.5.5 Izvedba ciklovoltametričnih meritev ... 37
4.6 Analiza in obdelava podatkov ... 37
5 REZULTATI IN DISKUSIJA ... 39
5.1 Optimizacija pogojev - elektroda iz steklastega ogljika (GCE) ... 39
5.1.1 Vpliv depozicijske napetosti ... 40
5.1.2 Vpliv medija ... 43
5.1.3 Vpliv koncentracije bakrovih(II) ionov v raztopini ... 47
5.1.4 Vpliv časa depozicije ... 48
5.1.5 Primerjava in situ in ex situ pripravljenih CuFE na GCE ... 50
5.1.6 Vpliv medija na stabilnost ex situ pripravljene tankoslojne bakrove elektrode (ex situ CuFE) ... 51
5.1.7 Vpliv koncentracije bakrovih(II) ionov ... 55
5.1.8 Vpliv depozicijskega časa bakra... 57
5.1.9 Vpliv časa depozicije analita ... 58
5.2 Optimizacija pogojev – tiskane elektrode (SPE) ... 61
5.2.1 Vpliv koncentracije bakrovih(II) ionov v raztopini – C-111 ... 61
5.2.2 Možnost ex situ tvorbe CuFE na elektrodah C-111 ... 63
5.2.3 Odziv ex situ pripravljene CuFE na C-111 pri različnih koncentracijah analitov – določanje območja linearnosti ... 64
5.3 Optimizacija pogojev – trdna bakrova elektroda ... 66
5.3.1 Vpliv bakrovih(II) ionov v mediju ... 67
5.4 Določanje območja linearnosti, ponovljivosti in LOD ter LOQ ... 68
5.4.1 In situ pripravljene CuFE na GCE ... 68
5.4.3 In situ pripravljena CuFE na SPE C-111 ... 75
5.4.4 Ex situ pripravljena CuFE na SPE C-111 ... 78
5.4.5 Tiskana elektroda Cu-10 ... 78
5.4.6 Trdna bakrova elektroda ... 80
5.4.7 Elektroda iz bakrove žice ... 84
5.5 Ciklovoltametrične meritve ... 86
6 ZAKLJUČEK ... 89
7 LITERATURA ... 93
8 PRILOGE ... 99
Slika 1: Primer kristalohidratov svinčeve in kadmijeve soli. Soli svinca in kadmija so večinoma brezbarvne spojine. ... 4 Slika 2: Enačba redoks reakcije K3[Fe(CN)6]. ... 8 Slika 3: Primer tipičnega ciklovoltamograma reverzibilne elektrokemijske reakcije za vodno raztopino kalijevega heksacianoferata v 0,1 M KCl. ... 8 Slika 4: Shema celotnega procesa anodne stripping (inverzne) voltametrije. ... 12 Slika 5: Shema spreminjanja napetosti s časom pri voltametriji s kvadratnimi valovi. Teq
prikazuje mrtvi čas oz. čas umirjanja raztopine (angl. quiet time), Eamp prikazuje amplitudno napetost, ΔE napetostni korak, τ pa periodo. Rdeči puščici kažeta točki na periodi, kjer se izvede merjenje toka. ... 13 Slika 6: Shema napetostnega okna modelne inertne delovne elektrode. ... 14 Slika 7: Zgradba elektrode iz steklastega ogljika proizvajalca Metrohm. ... 16 Slika 8: SPE-elektroda z bakrovo delovno elektrodo (Cu-10) španskega proizvajalca DropSens. ... 19 Slika 9: Primerjava trdne bakrove (disk) elektrode (A) z elektrodo iz steklastega ogljika (B). Izsek slike spodaj prikazuje aktivno površino elektrode v obliki diska, ki je v tem primeru precej večji pri bakrovi trdni elektrodi. ... 20 Slika 10: A - elektroda iz bakrove žice, pripravljena za delo, B – elektrokemijska celica z delovno elektrodo iz bakrove žice (rdeči kontakt), platinasto protielektrodo (črni kontakt) in referenčno elektrodo (modri kontakt). ... 27 Slika 11: Elektrokemijske celice z različnimi delovnimi elektrodami: elektroda iz steklastega ogljika (A), trdna bakrova elektroda (B), SPE z ogljikovo delovno elektrodo – C-111 (C) in elektroda iz bakrovo žice (D). ... 29 Slika 12: Stripping voltamogrami (SWASV) posneti z golo GCE v 0,1 M HCl: črni SWASV je posnet v mediju brez dodanih kovinskih ionov, moder v mediju s 500 ppb bakrovih(II) ionov, v primeru temno rdečega SWASV je poleg 500 ppb Cu(II) ionov še 100 ppb Pb(II) ionov, rdeč SWASV pa je posnet v mediju s 500 ppb Cu(II) ionov in 200 ppb Cd(II) ionov.
Nad posameznimi signali so enačbe redoks reakcij, katerih rezultat so tokovni maksimumi. Edep = -0,8 V, tdep = 100 s. ... 40 Slika 13: SWASV, izmerjeni pri različnih depozicijskih napetostih v 0,01 M HCl.
c(Cu(II)) = 500 ppb, c(Pb(II)) = 70 ppb, tdep= 60 s. ... 41 Slika 14: Primerjava SWASV za Cd(II) ione posnetih pri depozicijski napetosti -0,8 V (rdeča) in -1,0 V (črna). c(Cu) = 300 ppb, c(Cd) = 80 ppb, tdep= 80 s. ... 43 Slika 15: SWASV izmerjeni v različnih medijih. c(Cu) = 500, c(Pb) = 80, Edep = -0,8 V, tdep = 60 s. ... 44
koncentracijami svinčevih(II) ionov (od 0 do 60 ppb). c(Cu(II)) = 500 ppb, Edep = -0,8 V, tdep = 100 s. ... 46 Slika 17: Voltamogrami SWASV meritev pri različnih koncentracijah bakrovih(II) ionov v raztopini 0,01 M HCl. c(Pb(II)) = 60 ppb, Edep = -0,5 V, tdep = 100 s. ... 47
Slika 18: SWS meritev v raztopini 0,01 M HCl pri različnih časih depozicije.
c(Cu) = 500 ppb, c(Pb) = 50 ppb, Edep = - 0,5 V. ... 49 Slika 19: Primerjava SWASV meritev z in situ in ex situ pripravljenimi CuFE. SWASV modre in črne barve sta izvedeni na in situ način, pri čemer je modra SWASV izmerjena v raztopini s 500 ppb bakrovih(II) in 50 ppb svinčevih(II) ionov, črna pa poleg tega vsebuje še 50 ppb kadmijevih(II) ionov. Rdeča in zelena SWASV sta rezultata meritev z CuFE, pripravljene na ex situ način. V primeru rdeče SWASV so bili v raztopini prisotni le svinčevi(II) ioni s koncentracijo 50 ppb, pri zeleni SWASV pa je poleg svinčevih(II) ionov še enake koncentracije še 50 ppb kadmijevih(II) ionov. tdep(Pb oz. Cd) = 100s. . 51 Slika 20: Stripping voltamogrami seta meritev v 0,01 M H2SO4. Svinčev signal se je z meritvami pomikal proti negativnejšim napetostim. c(Cu(II)) = 50 ppm, tdep(Cu) = 120 s, tdep(Pb) = 5 s, c(Pb(II)) = 50 ppb. ... 52 Slika 21: SWASV meritve za študij vpliva koncentracije bakrovih(II) ionov na velikost
svinčevega signala na ex situ pripravljeni CuFE. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, tdep(Cu) = 600 s, tdep(Pb) = 120 s, c(Pb(II)) = 80 ppb. ... 55
Slika 22: SWASV meritev za določanje vpliva časa depozicije bakra na velikost
svinčevega signala pri ex situ pripravljeni CuFE. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Pb) = 120 s, c(Pb(II)) = 70 ppb. ... 57
Slika 23: Stripping voltamogrami določanja vpliva časa depozicije svinca na velikost
svinčevega signala pri ex situ pripravljeni CuFE. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 300 s, c(Pb(II)) = 80 ppb. ... 59
Slika 24: SWASV meritve za določanje vpliva časa depozicije kadmija na velikost
kadmijevega signala pri ex situ pripravljeni CuFE. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 300 s, c(Cd(II)) = 80 ppb. ... 60
Slika 25: Stripping voltamogrami meritev za določanje vpliva koncentracije bakrovih(II) ionov na velikost svinčevega signala na SPE C-111. 0,01 M HCl, c(Pb(II)) = 100 ppb, tdep = 120 s. ... 62
Slika 26: Stripping voltamograma posneta v raztopini 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl s 100 ppb svinčevih(II) ionov: A je rezultat meritve z nemodificirano C-111, B pa C-111 z ex situ deponirano plastjo bakra (c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 600 s). ... 64
pripravljeni CuFE na SPE C-111. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 600 s, tdep(Pb) = 60 s. ... 65 Slika 28: SWASV meritev za večanje koncentracije kadmijevih(II) ionov pri ex situ pripravljeni CuFE na SPE C-111. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 600 s, tdep(Cd) = 60 s. ... 65 Slika 29: SWASV za naraščajoče koncentracije svinčevih(II) ionov na in situ pripravljeni CuFE na GCE v 0,01 M HCl. c(Cu(II)) = 500 ppb, tdep = 50 s. ... 69 Slika 30: SWASV za naraščajoče koncentracije kadmijevih(II) ionov na in situ
pripravljeni CuFE na GCE v 0,01 M HCl c(Cu(II)) = 1000 ppb, Edep= - 1,0 V, tdep = 60 s. ... 71
Slika 31: SWASV za naraščajoče koncentracije svinčevih(II) ionov na ex situ pripravljeni
CuFE na GCE v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl. c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 300s, tdep(Pb) = 60 s. ... 73
Slika 32: SWASV za naraščajoče koncentracije kadmijevih(II) ionov na ex situ
pripravljeni CuFE na GCE v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl. c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 300s, tdep(Cd) = 60 s. ... 73
Slika 33: SWASV za naraščajoče koncentracije svinčevih(II) ionov na in situ pripravljeni CuFE na SPE C-111 v 0,01 M HCl. c(Cu(II)) = 1000 ppb, tdep = 60 s. ... 76 Slika 34: SWASV za naraščajoče koncentracije kadmijevih(II) ionov na in situ pripravljeni CuFE na SPE C-111 v 0,01 M HCl. c(Cu(II)) = 1000 ppb, tdep = 60 s. .... 76
Slika 35: SWASV za naraščajoče koncentracije Pb (II) na SPE Cu-10 v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl. tdep = 120 s. ... 78
Slika 36: SWASV za naraščajoče koncentracije Cd (II) na SPE Cu-10 v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl. tdep = 60 s. ... 79
Slika 37: SWASV meritev v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje vpliva bakrovih(II) ionov v mediju na trdni bakrovi elektrodi pri večanju koncentracije svinčevih(II) ionov.
c(Cu(II)) = 0 ppb, tdep = 120 s. ... 81 Slika 38: SWASV meritev v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje vpliva bakrovih(II) ionov v mediju na trdni bakrovi elektrodi pri večanju koncentracije kadmijevih(II) ionov c(Cu(II)) = 0 ppb, tdep = 120 s. ... 81 Slika 39: SWASV meritev v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje vpliva bakrovih(II) ionov v mediju na trdni bakrovi elektrodi pri večanju koncentracije svinčevih(II) ionov (v prisotnosti bakrovih(II) ionov v raztopini). c(Cu(II)) = 500 ppb, tdep = 120 s. ... 82 Slika 40: SWASV meritev v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje vpliva bakrovih(II) ionov v mediju na trdni bakrovi elektrodi pri večanju koncentracije kadmijevih(II) ionov (v prisotnosti bakrovih(II) ionov v raztopini). c(Cu(II)) = 500 ppb, tdep = 120 s. ... 82
pripravljene CuFE na trdni bakrovi elektrodi pri večanju koncentracije svinčevih(II) ionov. c(Cu(II)) = 50 ppb, tdep(Cu) = 600 s, tdep(Pb) = 120 s. ... 83 Slika 42: SWASV za naraščajoče koncentracije svinčevih(II) ionov na elektrodi iz bakrove žice v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl. tdep = 60 s. ... 84 Slika 43: : SWASV za naraščajoče koncentracije kadmijevih(II) ionov na elektrodi iz bakrove žice v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl. tdep = 60 s. ... 85 Slika 44: Ciklovoltamograma posneta v 0,01 M HCl z bakrovimi(II) ioni s koncentracijo 1 mM. ... 87 Slika 45: Ciklovoltamogrami posneti v 0,01 M HCl. ... 87 Slika 46: SWASV meritve v 0,1 M HCl za določanje vpliva medija na stabilnost ex situ pripravljene CuFE na GCE. c(Cu(II)) = 50 ppm, tdep(Cu) = 120 s, tdep(Pb) = 5 s, c(Pb(II)) = 50 ppb. ... 99 Slika 47: SWASV meritve v 0,01 M HCl za določanje vpliva medija na stabilnost ex situ
pripravljene CuFE na GCE. c(Cu(II)) = 50 ppm, tdep(Cu) = 120 s, tdep(Pb) = 5 s, c(Pb(II)) = 50 ppb. ... 99
Slika 48: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje vpliva medija na stabilnost ex situ pripravljene CuFE na GCE. c(Cu(II)) = 50 ppm, tdep(Cu) = 120 s, tdep(Pb) = 5 s, c(Pb(II)) = 50 ppb. ... 100 Slika 49: SWASV meritve v 0,1 M H2SO4 za določanje vpliva medija na stabilnost ex situ pripravljene CuFE na GCE. c(Cu(II)) = 50 ppm, tdep(Cu) = 120 s, tdep(Pb) = 5 s, c(Pb(II)) = 50 ppb. ... 100 Slika 50: SWASV meritve v 0,01 M HCl za določanje ponovljivosti meritev in izračun RSD za svinčeve(II) ione pri in situ pripravljenih CuFE na GCE. c(Cu(II)) = 600 ppb, tdep= 80 s, c(Pb(II)) = 70 ppb. ... 101 Slika 51: SWASV meritve v 0,01 M HCl za določanje ponovljivosti meritev in izračun RSD za kadmijeve(II) ione pri in situ pripravljenih CuFE na GCE. c(Cu(II)) = 600 ppb, tdep = 80 s, c(Cd(II)) = 70 ppb, Edep= -1,0 V. ... 101 Slika 52: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje ponovljivosti meritev
in izračun RSD za svinčeve(II) ione pri ex situ pripravljeni CuFE na GCE.
c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 300 s, tdep(Pb) = 100 s, c(Pb(II)) = 70 ppb. ... 102 Slika 53: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje ponovljivosti meritev
in izračun RSD za kadmijeve(II) ione pri ex situ pripravljeni CuFE na GCE.
c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 300 s, tdep(Cd) = 100 s, c(Cd(II)) = 70 ppb. ... 102 Slika 54: SWASV meritve v 0,01 M HCl za določanje ponovljivosti meritev in izračun
RSD za svinčeve(II) ione pri in situ pripravljenih CuFE na SPE C-111.
c(Cu(II)) = 1000 ppb, tdep = 60 s, c(Pb(II)) = 80 ppb. ... 103
RSD za kadmijeve(II) ione pri in situ pripravljeni CuFE na SPE C-111.
c(Cu(II)) = 1000 ppb, tdep = 60 s, c(Cd(II)) = 80 ppb. ... 103 Slika 56: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje ponovljivosti meritev in izračun RSD za svinčeve(II) ione na SPE Cu-10. c(Cu(II)) = 0 ppb, tdep = 60 s, c(Pb(II)) = 200 ppb, Edep = -0,8 V. ... 104 Slika 57: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje ponovljivosti meritev in izračun RSD za kadmijeve(II) ione na SPE Cu-10. c(Cu(II)) = 0 ppb, tdep = 60 s, c(Cd(II)) = 200 ppb, Edep = -0,8 V. ... 104 Slika 58: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje ponovljivosti meritev
in izračun RSD za svinčeve(II) ione na trdni bakrovi elektrodi. c(Cu(II)) = 0 ppb, tdep = 100 s, c(Pb(II)) = 80 ppb, Edep = -0,8 V. ... 105
Slika 59: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje ponovljivosti meritev
in izračun RSD za kadmijeve(II) ione na trdni bakrovi elektrodi. c(Cu(II)) = 0 ppb, tdep = 100 s, c(Cd(II)) = 80 ppb, Edep = -0,8 V. ... 105
Slika 60: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje ponovljivosti meritev
in izračun RSD za svinčeve(II) ione na elektrodi iz bakrove žice. c(Cu(II)) = 0 ppb, tdep= 60 s, c(Pb(II)) = 140 ppb, Edep = -0,8 V. ... 106
Slika 61: SWASV meritve v 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl za določanje ponovljivosti meritev
in izračun RSD za kadmijeve(II) ione na elektrodi iz bakrove žice. c(Cu(II)) = 0 ppb, tdep = 60 s, c(Cd(II)) = 140 ppb, Edep = -0,8 V. ... 106
Graf 1: Vpliv depozicijske napetosti na ploščino svinčevega signala. ... 42 Graf 2: Odziv elektrode pri različnih koncentracijah svinčevih(II) ionov v izbranih medijih. ... 45 Graf 3: Vpliv koncentracije bakra v raztopini na ploščino svinčevega signala. ... 48 Graf 4: Vpliv časa depozicije na ploščino svinčevega signala. ... 50 Graf 5: Odvisnost ploščine Pb signala od števila zaporednih meritev v različnih medijih.
c(Cu(II)) = 50 ppm, tdep(Cu) = 120 s, c(Pb(II)) = 50 ppb, tdep(Pb) = 5 s. ... 53 Graf 6: Odvisnost ploščine svinčevega signala od števila zaporednih meritev v različnih medijih. c(Cu(II)) = 50 ppm, tdep(Cu) = 120 s, c(Pb(II)) = 50 ppb, tdep(Pb) = 60 s. ... 54 Graf 7: Odvisnost ploščine svinčevega signala od števila zaporednih meritev v različnih medijih. c(Cu(II)) = 50 ppm, tdep(Cu) = 120 s, c(Pb(II)) = 50 ppb, tdep(Pb) = 120 s. ... 54 Graf 8: Odvisnost ploščine svinčevega signala od koncentracije bakrovih(II) ionov pri
meritvah z ex situ pripravljeno CuFE. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, tdep(Cu) = 600 s, tdep(Pb) = 120 s, c(Pb(II)) = 80 ppb. ... 56
Graf 9: Odvisnost ploščine svinčevega signala od časa depozicije bakra pri ex situ pripravljeni CuFE. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Pb) = 120 s, c(Pb(II)) = 70 ppb. ... 58 Graf 10: Odvisnost ploščin svinčevega in kadmijevega signala od časa depozicije svinca oz. kadmija pri ex situ pripravljeni CuFE. 0,1 M HCl + 0,4 M NaCl, c(Cu(II)) = 10 ppm, tdep(Cu) = 300 s, c(Pb(II)) = c(Cd(II)) = 80 ppb. ... 60 Graf 11: Odvisnost ploščine svinčevega signala od njegove koncentracije pri optimiziranih pogojih. ... 69 Graf 12: Odvisnost ploščine kadmijevega signala od koncentracije njegovih ionov v raztopini pri optimiziranih pogojih. ... 71 Graf 13: Odvisnost ploščine svinčevega in kadmijevega signala od koncentracije njunih ionov pri optimiziranih pogojih. ... 74 Graf 14: Odvisnost ploščine svinčevega in kadmijevega signala od koncentracije njunih ionov pri optimiziranih pogojih na SPE C-111. ... 77 Graf 15: Odvisnost ploščine svinčevega in kadmijevega signala od koncentracije njunih
ionov pri optimiziranih pogojih na SPE Cu-10. Čas depozicije je različen:
tdep(Pb) = 60 s, tdep(Cd) = 120 s. ... 79 Graf 16: Odvisnost ploščine svinčevega in kadmijevega signala od koncentracije njunih ionov pri optimiziranih pogojih na elektrodi iz bakrove žice. ... 85
Preglednica 1: Izračunane vrednosti RSD, LOD in LOQ za meritve na in situ pripravljeni CuFE na GCE. Medij pri vseh meritvah: 0,01 M HCl ... 72 Preglednica 2: Izračunane vrednosti RSD, LOD in LOQ meritev na ex situ pripravljeni CuFE na GCE ... 75 Preglednica 3: Izračunane vrednosti RSD, LOD in LOQ za in situ meritve na SPE C-111.
... 77 Preglednica 4: Izračunane vrednosti RSD, LOD in LOQ za meritve na SPE Cu-10 .... 80 Preglednica 5: Izračunane vrednosti RSD, LOD in LOQ za meritve na trdni bakrovi elektrodi ... 83 Preglednica 6: Izračunane vrednosti RSD, LOD in LOQ za meritve na elektrodi iz bakrove žice. ... 86
CuFE – tankoslojna bakrova elektroda (angl. copper film electrode) CuDE – trdna bakrova elektroda (angl. copper disc electrode)
SCE – nasičena kalomelska elektroda (angl. saturated calomel electrode) CPE – elektroda z ogljikovo pasto (angl. carbon paste electrode)
GCE – elektroda iz steklastega ogljika (angl. glassy carbon electrode) SPE – tiskana elektroda (angl. screen printed electrode)
C-111 – tiskana elektroda z ogljikovo delovno elektrodo Cu-10 – tiskana elektroda z bakrovo delovno elektrodo PG – elektroda iz pirolitskega ogljika (angl. pyrolitic carbon) WE – delovna elektroda (angl. working electrode)
CE – protielektroda elektroda (angl. counter electrode) RE – referenčna elektroda (angl. reference electrode) CV – ciklična voltametrija (angl. cyclic voltammetry)
SWASV (SWV) – anodna inverzna (stripping) voltametrija s kvadratnimi valovi (angl.
square wave anodic stripping voltammetry)
ASV – anodna inverzna (stripping) voltametrija (angl. anodic stripping voltammetry) tdep – čas depozicije
Edep – napetost depozicije
RSD – relativni standardni odmik (angl. relative standard deviation) LOD – spodnja meja zaznave (angl. limit of detection)
LOQ – spodnja meja določljivosti (angl. limit of quantitation) ppb – delci na milijardo (angl. parts per billion) = μg L-1 ppm – delci na milijon (angl. parts per million) = mg L-
Študije in uporaba bakrovih elektrod v sodobni elektroanalizi
Elektrokemijske tehnike so v primerjavi s spektroskopskimi in kromatografskimi metodami manj zapletene za uporabo in zanje običajno ni potrebna kompleksnejša obdelava vzorca pred meritvijo. Številne celo omogočajo in situ meritve – torej brez vzorčenja, kar je pri okoljski analizi zelo priročno za kontinuirni monitoring onesnažil v pretočnem sistemu kot je reka, morje ipd. Ena od elektrokemijskih tehnik, ki je primerna za določanje sledov kovin, je anodna inverzna (stripping) voltametrija, ki se je razvila v prejšnjem stoletju.
V zadnjih 60 letih so se za takšne meritve najpogosteje uporabljale različne oblike živosrebrovih elektrod (kapljajoča, viseča, tankoplastna elektroda itd.), ki so okolju in živim organizmom škodljive, težavo pa predstavlja tudi rokovanje z živim srebrom, njegova hramba, itd. V mnogih državah je uporaba živega srebra močno omejena ali celo prepovedana. Kot nadomestek za živo srebro kot elektrodni material so bili preizkušeni mnogi prevodni materiali, kot so različne oblike prevodnega ogljika (pirolitski grafit, polikristalinični grafit, elektroda iz ogljikove paste, steklasti ogljik, ogljikova vlakna), zlato, platina, srebro, iridij, itd., toda nobeden od naštetih ni dosegel izjemnih elektroanaliznih karakteristik živosrebrovih elektrod. Leta 2000 je skupina iz Odseka za analizno kemijo (Kemijski Inštitut) v sodelovanju z ameriškim partnerjem (Department of Chemistry and Biochemistry, New Mexico State University, Las Cruces) vpeljala uporabo bizmuta za stripping voltametrično detekcijo izbranih sledov ionov težkih kovin.
Temu je v letu 2006 sledila predstavitev tankoslojne antimonove elektrode, nedavno pa so na Odseku za analizno kemijo študirali tudi zanimivo uporabo tankoslojne bakrove elektrode za detekcijo nekaterih ionov težkih kovin v sledovih.
V pričujočem magistrskem delu je predstavljena raziskava elektrokemijskih lastnosti in uporabe različnih bakrovih elektrod za določitev nizkih koncentracij Pb2+ in Cd2+ v vodnih medijih z anodno inverzno (stripping) voltametrijo. Pri svojem delu sem obravnaval tako tankoslojne bakrove elektrode, pripravljene na osnovni elektrodi iz steklastega ogljika in tiskani ogljikovi elektrodi, kot tudi trdne bakrove elektrode (trdna bakrova (disk) elektroda, tiskana bakrova elektroda in bakrova žica). Preučeval sem vplive različnih parametrov, kot so sestava medija, koncentracija bakrovih(II) ionov, čas depozicije bakra in analitov ter napetost depozicije, na stabilnost in občutljivost elektrode ter jih skušal optimizirati. Preučeval sem tudi območje linearnosti, ponovljivost meritev, spodnjo mejo zaznave (LOD) ter spodnjo mejo kvantifikacije (LOQ) za posamezno obravnavano elektrodo.
Izkazalo se je, da imajo bakrove elektrode precej podobne lastnosti nekaterim že uveljavljenim in razširjenim kovinskim elektrodam, kot sta na primer antimonova in bizmutova elektroda. Odlikuje jih relativno visoka občutljivost in zato ugodno nizek
je kot elektrodni material poceni in zaradi svojih lastnosti (večina njegovih spojin je relativno nestrupenih za organizme – uporablja se celo za pospeševanje rasti pri reji prašičev) neproblematičen za uporabo.
Ključne besede: baker, bakrova elektroda, težke kovine, svinec, kadmij, anodna inverzna voltametrija, stripping voltametrija, analiza sledov
Studies and uses of copper electrodes in modern electroanalysis
Electrochemical techniques are much less complicated for use compared to spectroscopic and chromatographic methods – sample preparation is usually not required. Many of them allow in situ determination, which is important in environmental analysis for continuous monitoring of contaminant concentrations in flow systems such as rivers and oceans.
Anodic stripping voltammetry is one of the electrochemical techniques that developed in the late 20th century for the analysis of trace metals.
In the last 60 years, different mercury electrodes (dropping mercury electrode – DME, hanging mercury dropping electrode – HDME, mercury film electrode – MFE) have been used for this kind of measurements, which are dangerous for the environment and living organisms. There is also a problem with handling and storage of mercury. Today, the use of mercury is restricted or even banned. Many electrically conductive materials such as various forms of electrically conductive carbon (pyrolytic graphite – PG, polycrystalline graphite, carbon paste electrode – CPE, glassy carbon electrode – GCE, carbon fibres, etc.), gold, platinum, silver, iridium, etc. have been used to replace mercury as electrode materials, but none of them exhibited excellent electroanalytical properties of mercury electrodes. In 2000, a group of scientists from the Department of Analytical Chemistry (National Institute of Chemistry, Ljubljana) in collaboration with an American partner institution (Department of Chemistry and Biochemistry, New Mexico State University, Las Cruces) introduced bismuth in stripping voltammetry measurements for the detection of heavy metal traces. Then, in 2006, the antimony film electrode was introduced.
Recently, the use of copper film electrodes for the detection of selected heavy metal ion traces was investigated by the Department of Analytical Chemistry.
This master’s thesis represents an investigation of properties and applications of various copper electrodes for determination of lead(II) and cadmium(II) ions in low concentrations in water solutions using anodic stripping voltammetry. In my work, copper-film electrodes based on glassy carbon electrodes and screen-printed electrodes (SPE) with carbon working electrode as well as bulk copper electrodes (copper disc electrode, SPE with copper working electrode, copper wire) were investigated. I investigated the influences of various parameters such as medium, copper(II) concentration, time of deposition of copper and analytes and deposition potential on the stability and sensitivity of the electrodes. In the next phase, the parameters were optimised to obtain the best performance of the electrodes, and then their range with linear response, repeatability and limits of detection and quantification (LOD, LOQ) were determined.
The experiments have shown that copper electrodes are very similar to some other already established metal electrodes, for example, antimony and bismuth electrodes. They have good sensitivity and therefore a low detection limit, as well as good repeatability and a
qualities (the toxicity of most its compounds to organisms is relatively low – it is even used as growth promoter in breeding pigs), it is not problematic to use.
Keywords: copper, copper electrode, heavy metals, lead, cadmium, anodic stripping voltammetry, trace analysis
1
1 UVOD
Onesnažila v obliki težkih kovin predstavljajo veliko težavo v človeku dostopnem delu Zemlje. Kovinski ioni niso biorazgradljivi, poleg tega se lahko bioakumulirajo v organizmih, ki so del različnih prehranskih verig, končni člen mnogih pa je človek. Tako povzročajo ali vsaj prispevajo svoj delež k številnim boleznim in zdravstvenim zapletom [1], [2]. V zadnjem času je zavedanje o problemu onesnaženosti s težkimi kovinami vedno večje. Zaradi tega je tudi strožja zakonodaja na področju okoljevarstva in z njo povezan nadzor nad izpusti odpadnih voda in ostalih odpadkov iz mnogih kemičnih tovarn in drugih virov. Potrebna je stalna kontrola oziroma monitoringi, med drugim tudi koncentracij težkih kovin v odpadnih vodah, preden se lahko te spusti v okolje (reke, jezera ali morje). Z zavedanjem narašča tudi zanimanje ljudi glede onesnaženosti voda, prsti in hrane s težkimi kovinami, poleg tega pa tudi o koncentracijah težkih kovin v ljudeh. Tudi iz tega razloga izhaja velika potreba po učinkovitih in selektivnih analitskih metodah, s katerimi bi bilo možno hitro, cenovno sprejemljivo in okolju prijazno določanje težkih kovin v sledovih v širokem spektru vzorcev.
Trenutno se za kvalitativno in kvantitativno določanje težkih kovin (in ostalih elementov) v sledovih najpogosteje uporabljajo spektrometrične metode. Za rutinske analize se tako uporablja plamenska atomska absorpcijska spektrometrija (angl. flame atomic absorption spectrometry, FAAS), elektrotermična atomska absorpcijska spektrometrija (angl.
electrothermal atomic absorption spectrometry, ETAAS), kot tudi še občutljivejše metode, npr. optična emisijska spektroskopija z vzbujanjem v induktivno sklopljeni plazmi (angl. inductively coupled plasma - optical emission spectrometry, ICP-OES) in masna spektroskopija z vzbujanjem v induktivno sklopljeni plazmi (angl. inductively coupled plasma - mass spectrometry, ICP-MS). Vse omogočajo sočasno določanje več analitov, pri čemer je nekaj omejitev pri FAAS in ETAAS zaradi omejenih možnosti pri kombinacijah elementov na viru svetlobe (žarnica z votlo katodo oz. visokofrekvenčna žarnica). Slaba lastnost teh metod je zahtevna predpriprava vzorca, kar podaljša in zakomplicira postopek analize [3]. Aparature za naštete metode so drage, kompleksne in primerne le za delo v stacionarnem analitskem laboratoriju pri konstantnih pogojih;
izvajanje analiz na terenu ni mogoče, poleg tega so zaradi visoke cene za marsikateri analizni laboratorij nedostopne.
Eno od alternativ spektrometričnim tehnikam predstavljajo elektrokemijske tehnike. V preteklosti se je zaradi nizkih mej zaznave veliko uporabljala polarografija, ki pa je v opuščanju zaradi živega srebra, ki kot težka kovina predstavlja velik okoljski problem.
Zaradi omejevanja uporabe živega srebra so raziskave usmerjene v razvoj delovnih elektrod iz drugih, manj strupenih kovin/materialov [4]. To je vodilo do razvoja tankoslojnih kovinskih elektrod (angl. thin metal-film electrodes), ki so se izkazale pri inverznih (stripping) tehnikah. Tvorjenje kovinskega filma je relativno enostavno,
2
obenem pa ima taka elektroda možnost enostavne regeneracije aktivne elektrodne površine. Običajno se za osnovo elektrodo uporabljajo različne ogljikove elektrode. Do sedaj so bile že preizkušene mnoge tankoslojne kovinske elektrode na osnovi zlata [5], iridija [6] ter tudi iz manj inertnih kovin kot so srebro [7], bizmut [8], antimon [9], kositer [10] in celo svinec [11].
Baker ima podobne lastnosti kot na primer srebro; je dobro prevoden in lahko ga je elektrokemijsko nanesti na različne prevodne površine/materiale. Poleg tega je poceni in čeprav po določenih definicijah spada med težke kovine, tudi precej manj strupen kot živo srebro ali svinec [12]. Zaradi teh lastnosti je smiselno preiskati njegove možnosti uporabe za inverzno (stripping) voltametrično/potenciometrično določevanje nekaterih ionov težkih kovin in drugih (tudi organskih) analitov.
Do sedaj so že bile raziskane možnosti uporabe različnih bakrovih elektrod za določanje nekaterih anorganskih [13], [14] in organskih analitov [15]–[17]. Na področju določevanja kovinskih ionov z ASV je že bila nakazana uporabnost bakra v obliki zlitin oz. intermetalnih zlitin z drugimi kovinami, s tankoslojno bakrovo elektrodo pa je bilo do sedaj le malo narejenega [13], [14].
V tem delu je predstavljen moj doprinos pri študijah uporabnosti različnih bakrovih elektrod za določanje sledov ionov težkih kovin z ASV. Kot modelna analita sem uporabil svinec in kadmij, ker sodita med najbolj razširjene in problematične težke kovine. V svojem delu sem raziskal in optimiziral: sestavo medija (elektrolita), koncentracijo bakra(II), depozicijski čas za baker in analite ter depozicijsko napetost. Raziskal sem uporabnost tankoslojne bakrove elektrode (angl. copper film electrode, CuFE) na elektrodi iz steklastega ogljika in tiskani ogljikovi elektrodi (angl. screen printed electrode, SPE), ki sem jo pripravil z depozicijo bakra na in situ ter ex situ način. Poleg tega sem raziskal tudi uporabnost trdne bakrove (disk) elektrode (angl. copper disc electrode, CuDE) in bakrove žice pri enakih pogojih kot tankoslojne bakrove elektrode.
3
2 TEORETIČNI DEL IN PREGLED LITERATURE
2.1 Težke kovine
Izraz »težke kovine« nima enotne definicije. Prvič je bil omenjen leta 1817, ko je nemški kemik Leopold Gmelin delil elemente na nekovine, lahke kovine in težke kovine [18].
Podobno je na primer po starejši definiciji (Bjerrum, 1936) težka kovina tista, ki ima specifično gostoto večjo od 7 g/cm3 [19]. Druge definicije postavljajo mejo na podlagi atomske mase, atomskega števila ali pa celo kemijskih in bioloških lastnosti – toksičnosti.
Tudi tu nastane problem, ker so nekatere »težke kovine« (npr. vanadij, krom, kobalt, baker, cink, molibden) po teh kriterijih na dveh straneh; sodijo med esencialne elemente za delovanje živih bitij in so potrebne v nizkih koncentracijah, ob enem pa so v nekoliko višjih koncentracijah ali v drugem oksidacijskem stanju (Cr6+, V5+) močno strupene [20].
Ena od definicij šteje pod težke kovine vse, ki imajo vrstno število večje od železa in s tem sledi teoriji o izvoru elementov [21]. Nekatere definicije štejejo pod težke kovine tudi strupene polkovine. Katerokoli definicijo torej uporabimo, nobena ni dovolj univerzalna.
Tudi IUPAC nima nedvoumne definicije težkih kovin, zato je predlagana opustitev tega imena [22].
Kljub problemu z neenotnimi definicijami se pojem »težke kovine« uporablja predvsem za kovine, ki so strupene in nevarne organizmom običajno že, če so prisotne v zelo nizkih koncentracijah. Med najbolj problematične težke kovine spadajo krom, arzen, kadmij, živo srebro in svinec. Vseh pet ima veliko afiniteto do žvepla, ki se v človeškem organizmu nahaja predvsem v obliki tiolnih skupin (-SH) na aminokislinah metionin in cistein. Z vezavo na tiolnih mestih v proteinu lahko te kovine onemogočijo zvitje proteina v pravilno obliko in s tem njegovo delovanje, kar lahko v primerih hujših zastrupitev ali trajnejše izpostavljenosti vodi tudi do smrti [23]. Krom (v obliki Cr6+), arzen in kadmij so kancerogeni, kadmij poleg tega povzroča tudi itai-itai bolezen, ki prizadene skelet, živo srebro in svinec pa povzročata med drugim poškodbe centralnega živčnega sistema.
2.1.1 Svinec
Svinec (Pb) je po kriteriju ameriške Agencije za strupene snovi (angl. Agency for Toxic Substances and Disease Registry, ATSDR) [24] druga najbolj strupena težka kovina (za arzenom) in je med vsemi težkimi kovinami daleč najbolj razširjen ter zato tudi najbolj problematičen. Po ocenah je njegova današnja koncentracija v vodnem okolju dvakrat do trikrat višja od koncentracije pred industrijsko revolucijo [25]. Glavni viri onesnaževanja s svincem so industrija baterij in akumulatorjev, metalurška industrija (praženje rud), umetna gnojila in pesticidi, barve z minijem, itd. [1]. Pri nas je veliko onesnaženja povzročilo rudarjenje svinčeve in cinkove rude v Mežiški dolini [26]. Veliko obremenitev
4
okolja s svincem je povzročila uporaba osvinčenega bencina in s tem tetraetil svinca (CH3CH2)4Pb, vse od tridesetih do sedemdesetih let prejšnjega stoletja, ko so ga v večini držav umaknili iz uporabe. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so celo opazili korelacijo med povečanjem koncentracije svinca v okolju zaradi osvinčenega bencina in dvigom kriminala v ZDA z 22-letnim zamikom (povprečna starost storilcev) [27]. Tudi v zgornji Mežiški dolini ugotavljajo povečano pogostost obolevanja za Pagetovo boleznijo, ki prizadene skelet. Incidenca obolevanja je s 145,1/100 000 bistveno večja kot na primer v Ravnah na Koroškem 3,0/100 000 ali Mariboru in Ljubljani 2,5 in 1,5/100 000 [26].
Svinec v organizmu deluje po dveh mehanizmih – mehanizmu oksidativnega stresa in ionskem mehanizmu, pri čemer svinčevi ioni zamenjajo druge dvovalentne katione, kot so Ca2+, Mg2+, Fe2+ in tudi enovalentne, na primer Na+. Ionska zamenjava moti celični metabolizem, celično signaliziranje in druge procese ter lahko privede do celične smrti.
V primeru zamenjave Ca2+ že v pikomolarnih (10-12 M) koncentracijah moti protein kinazo C, ki regulira nevronska vzbujanja in spomin [1]. 95 % svinca se sicer kopiči v kosteh v obliki netopnih fosfatov [28].
Slika 1: Primer kristalohidratov svinčeve in kadmijeve soli. Soli svinca in kadmija so večinoma brezbarvne spojine.
2.1.2 Kadmij
Kadmij (Cd) je na seznamu ATSDR sedma najbolj strupena snov in četrta težka kovina (za arzenom, svincem in živim srebrom) [24]. Mednarodna agencija za raziskave raka (angl. International Agency for Research on Cancer) ga uvršča v prvo skupino rakotvornih snovi. Škoduje tudi zarodku v razvoju. Glavni viri onesnaženja so fosilna goriva, metalurška industrija (praženje cinkove rude) in alkalne kadmijeve baterije, za izdelavo katerih se porabi kar tri četrtine svetovne proizvodnje kadmija. Ostalo četrtino porabijo za izdelavo raznih premazov, pigmentov in stabilizatorjev plastike, kar so vse
5
prav tako potencialni viri onesnaženja. Kot se vidi na sliki 1 je večina njegovih (kot tudi svinčevih) enostavnih spojin brezbarvnih. V času pred prvo svetovno vojno se je uporabljal tudi kot nadomestek svinca [1]. Med najbolj onesnažena območja sodita Kitajska in Japonska. Iz slednje zvira tudi ime za bolezen itai-itai, ki je posledica kroničnega zastrupljanja [29]. Kadmij ima precej višjo stopnjo prehajanja iz zemlje v rastline kot npr. svinec ali živo srebro zaradi precej boljše topnosti njegovih soli v vodi.
Onesnaženost prsti in vode z njim je zato problematična že pri zelo nizkih koncentracijah [30]. Kljub temu predstavlja največji vnos kadmija v telo vdihavanje kontaminiranega prahu in sta hrana ter voda šele na drugem mestu. Zaradi večjega prehajanja kadmija iz prsti v rastline je precej kadmija tudi v tobaku, zato so kadilci dvakrat bolj izpostavljeni zastrupljanju z njim kot nekadilci [1]. Kadmijevi ioni se radi vežejo na aminokislini z žveplom (cistein in histidin) ter anionski aminokislini (glutamat in aspartat). Vezava je močnejša od tiste z železovim ionom, ki se veže na isto mesto za normalno delovanje proteinov, zato lahko pride do pomanjkanja železa zaradi zastrupitve s kadmijem. Cd2+ je tudi podoben Zn2+, zato ga lahko nadomesti na metalotioneinu, ki zaradi tega ne more več opravljati funkcije odstranjevalca prostih ionov v celici [1].
Danes, ko je okoljevarstveno zavedanje čedalje večje, se uporaba vseh naštetih kovin omejuje na najmanjšo možno raven, vendar se jih ne da povsem odstraniti iz vsakdanjega življenja. Svinec se umika iz vodovodnih napeljav in barv, ostaja pa na primer v svinčevih akumulatorjih. Tudi kadmijeve baterije se počasi opušča, še vedno pa se uporabljajo njegovi pigmenti, obloge in prevleke. Prav tako se iz vsakodnevne uporabe umika živo srebro. Države podpisnice konvencije Minamata 2013, med katerimi je tudi Slovenija, se zavzemajo za zmanjšanje uporabe živega srebra na vseh ravneh uporabe – tudi na industrijski in znanstveni, zato je iskanje nadomestnih elektrodnih materialov s podobnimi elektrokemijskimi lastnostmi kot jih ima živo srebro tako zelo pomembno.
2.2 Elektrokemijske tehnike
Kot že ime pove, gre pri elektrokemijskih tehnikah za kombinacijo kemijskih in električnih procesov. V veliki večini primerov se izkorišča dejstvo, da so fizikalne količine, kot so električna napetost, tok in naboj, dobro merljive količine, ob enem pa so tudi povezave med njimi in kemijskimi reakcijami dobro poznane. V analizni kemiji se zato uporablja veliko elektrokemijskih tehnik; od potenciometrije, amperometrije, voltametrije in kulometrije, do elektrogravimetrije in impedance. Elektrokemijske tehnike imajo zaradi številnih variacij zelo široko območje uporabe. Primerne so za določevanje analitov v širokem koncentracijskem območju. V moderni analizni kemiji so zanimive predvsem zaradi velike občutljivosti in nizke meje zaznave v kombinaciji z običajno zelo preprosto instrumentacijo, ki je ob tem še poceni in enostavna za
6
vzdrževanje. Po drugi strani pa so elektrokemijske tehnike precej robustne in omogočajo miniaturizacijo elektrodnih sistemov ter tako omogočajo izvajanje meritev na terenu (tudi na mikrolokacijah ter v mikroprostorninah) brez kompleksne predpriprave vzorca, ki bi bila potrebna za analize z drugimi analiznimi tehnikami. Predpriprava vzorca je običajno zelo enostavna – potrebna je le zadostna prevodnost vzorca, čemur pa je v večini primerov že zadoščeno. Elektrokemijske tehnike tako omogočajo izvajanje analiz direktno v sistemu, ne da bi bilo potrebno ustavljanje procesa in vzorčenje. Slednje je še posebej uporabno v kemijski industriji, kjer lahko na tak način spremljamo potek reakcij v reaktorju in pa pri monitoringu okolja, za spremljanje različnih parametrov kakovosti npr.
vode v reki, jezeru ali morju, praktično brez prestanka z uporabo pretočne celice [31].
Elektrokemijske analizne tehnike se pogosto uporabljajo tudi v biokemijskih in biomedicinskih raziskavah; lahko se izvajajo konvencionalno in vitro ter tudi in vivo, z uporabo mikroelektrod [16], [32].
Za izvedbo elektrokemijskih meritev potrebujemo elektrokemijsko celico, običajno z dvo ali trielektrodnim sistemom, ki ga sestavljajo: delovna elektroda (angl. working electrode, WE), protielektroda (angl. counter electrode, auxiliary electrode, CE) in referenčna elektroda (angl. reference electrode, RE) ter potenciostat/galvanostat. Za doseganje čimbolj točnih meritev je dobro, da so temperatura medija in atmosfere ter električni tok za napajanje potenciostata čim bolj stabilni.
Elektrode so v elektrokemijski celici potopljene v raztopino, ki vsebuje analit in (pomožni) elektrolit, ki je po navadi sol, kislina ali kombinacija obojega. Pomožni elektrolit je dodan za boljšo električno prevodnost raztopine ter zmanjšanje vpliva migracije ionov, istočasno pa lahko z izbiro različnih soli ali pufrov poskrbimo za izboljšanje elektrokemijskega odziva, ponovljivosti eksperimentov in/ali boljšo stabilnost delovne elektrode. Idealen elektrolit je v napetostnem območju voltametričnih/potenciometričnih meritev inerten [33].
2.2.1 Voltametrija
Voltametrija je elektrokemijska tehnika, pri kateri s pomočjo potenciostata spreminjamo napetost na delovni elektrodi (proti referenčni elektrodi) v elektrokemijski celici in merimo tok. Funkcija, ki kaže odvisnost toka od napetosti, se imenuje voltamogram.
Voltametrične tehnike so se razvile iz polarografije (kapljajoča Hg elektroda), ki se je že v prvi polovici 20. stoletja izkazala kot zelo uporabna analizna tehnika. Pomembnost polarografije je prepoznala tudi Kraljeva švedska akademija znanosti (šved. Kungliga Vetenskapsakademien), ki je češkemu kemiku Jaroslavu Heyrovskemu leta 1959 podelila Nobelovo nagrado za kemijo »za odkritje in razvoj polarografske metode analiziranja«
[34]. Kljub svojim prednostim je postala sčasoma manj zanimiva, saj so jo za določanje sledov zamenjale naprednejše spektroskopske tehnike. Na področju elektrokemije je z
7
razvojem računalništva prav tako prišlo do razvoja modernih pulznih tehnik, ki so v uporabnosti (hitrost in nižje meje zaznavnosti) prehitele polarografijo [35], [36].
Voltametrične tehnike lahko v grobem delimo v dve skupini:
• klasične tehnike; napetost spreminjamo linearno s časom. Zaradi manjših občutljivosti so uporabne predvsem za kvalitativno analizo. Mednje spadata ciklična in linearna voltametrija;
• pulzne tehnike; napetost spreminjamo v pulzni obliki in na koncu vsakega napetostnega pulza izmerimo tok v sistemu. So zelo občutljive, omogočajo hitre meritve in so pomembne za kvantitativno analizo, lahko pa jih uporabimo tudi za kvalitativno analizo. V to skupino sodijo stripping (inverzna) voltametrija s kvadratnimi valovi (angl. square-wave voltammetry), voltametrija s stopničastimi valovi (angl. staircase voltammetry), diferencialna pulzna voltametrija (angl.
differential pulse voltammetry) in druge izpeljanke.
2.2.2 Ciklična voltametrija
Ciklična voltametrija (angl. cyclic voltammetry, CV) je sodobna tehnika za študij redoks procesov, njihove medsebojne povezanosti ter fizikalnih pojavov (adsorpcija). Je enostavna in hitra, hkrati pa zanesljiva. Kot delovna elektroda se večinoma uporablja elektroda iz steklastega ogljika, platinasta elektroda ali zlata elektroda – torej elektrode, ki so v napetostnem območju meritev stabilne. Prevodni material (npr. steklasti ogljik, platina, zlato) delovne elektrode je običajno obdan z ohišjem iz neprevodnega in inertnega materiala, tako da pride elektrodni material v stik z raztopino v obliki diska na koncu elektrode; protielektroda je iz dobro prevodnega in inertnega materiala, običajno platine.
Reakcije, ki potekajo na protielektrodi, niso pomembne. Elektrode med meritvijo mirujejo v analizirani raztopini, ki je med meritvijo običajno ne mešamo.
Med eksperimentom merimo tok v elektrokemijski celici zaradi redoks reakcij, ki jih sprožimo z linearnim (ali stopničastim – običajno v digitalnih napravah) spreminjanjem napetosti (E). Ker med meritvijo ni mešanja raztopine, so signali, ki so vidni v cikličnem voltamogramu, odvisni od difuzije ionov v raztopini. Napetostni prelet, ki ga naredimo s potenciostatom, najlažje opišemo s tremi točkami in sicer začetno napetostjo Ei (angl.
initial potential), napetostjo obrata preleta Es (angl. switching potential) in končno napetostjo Ef (angl. final potential) ter hitrostjo preleta napetosti (angl. scan rate) v V/s.
Hitrost preleta je torej funkcija časa.
Napetostno območje, ki ga preletimo, izberemo v odvisnosti od analita (in medija).
Običajno Ei in Es izberemo tako, da je redoks reakcija nekje v sredini, levo in desno pa je močna redukcija oz. oksidacija (sploh če je sistem reverzibilen), Ef je pogosto kar enaka Ei. Ciklična voltametrija se od ostalih voltametričnih tehnik loči po tem, da spreminjanje
8
napetosti ni omejeno zgolj na eno smer. Z obratom preleta pri napetosti Es posnamemo še tokovni odziv nasprotnega redoks procesa.
Najbolj uporaben vidik te tehnike je kvalitativna analizna elektrodnih procesov, kot na primer ciklična voltametrija redoks para (npr. heksacianoferat (Fe(II)/(III)) v vodni raztopini, slika 2); ciklični voltamogram te vrste je predstavljen na sliki 3. Gre za primer tipičnega ciklovoltamograma reverzibilne reakcije s prenosom enega elektrona. Ciklično voltametrijo se lahko uporablja tudi za kvantitativno analizo, vendar ima višjo mejo zaznave v primerjavi z drugimi tehnikami, zaradi česar so za meritve sledov primernejše občutljivejše pulzne voltametrične tehnike.
Slika 2: Enačba redoks reakcije K3[Fe(CN)6].
Slika 3: Primer tipičnega ciklovoltamograma reverzibilne elektrokemijske reakcije za vodno raztopino kalijevega heksacianoferata v 0,1 M KCl.
Na tokovno napetostni krivulji CV se pojavi eden ali več tokovnih vrhov (angl. current peak, Ip). Vrh katodnega toka (angl. catodic current peak, ipc) se pojavi pri napetosti, ki
9
ustreza redukcijski napetosti analita (angl. catodic potential peak, Epc), tok pa prične po dosegu vrha padati. Analit na površini elektrode se med redukcijskim procesom na elektrodi namreč porablja (npr. Fe3+ se reducira) in ker (običajno) ni mešanja raztopine, se njegova koncentracija v bližini elektrode zmanjšuje, veča pa se koncentracija reduciranega produkta. To se kaže kot širjenje difuzijske plasti v raztopino in zmanjševanje koncentracijskega gradienta ter s tem zmanjšanje redukcijskega toka.
Neporabljen analit mora s pomočjo difuzije premagovati vedno večjo razdaljo do elektrodne površine (kjer je trenutna koncentracija analita običajno nič), zato ga tja prispe vedno manj, zato se tudi tok zmanjšuje do ravnotežja. Proces je zato po dosegu tokovnega vrha difuzijsko kontroliran. Po dosegu napetosti obrata se smer spreminjanja napetosti obrne in zasledujemo obraten proces (npr. oksidacijo Fe2+), potek krivulje pa je v primeru reverzibilnega redoks sistema iz istih razlogov enak kot pri katodnem preletu napetosti CV.
V primeru idealne reverzibilne reakcije je razmerje absolutnih vrednosti tokovnih vrhov enako 1:
|𝑖𝑝𝑐|
|𝑖𝑝𝑎|= 1 (1.1) Za napetosti tokovnih vrhov pa velja pri T = 298K naslednja zveza iz Nernstove enačbe;
z predstavlja število izmenjanih elektronov v redoks reakciji (v primeru vodne raztopine heksacianoferata je z = 1)
|𝐸𝑝𝑐− 𝐸𝑝𝑎| =59,1 𝑚𝑉
𝑧 (1.2) V primeru reverzibilnega redoks para je možno določiti tudi ravnotežno redoks napetost Er, ki je aritmetična sredina katodne in anodne napetosti tokovnih vrhov.
𝐸𝑟 = 𝐸𝑝𝑐+𝐸𝑝𝑎
2 (1.3) Ravnotežna napetost redoks para običajno le malo (za nekaj mV) odstopa od standardne redoks napetosti 𝐸°, s katero lahko izračunamo tudi termodinamske količine preko enačb za standardno Gibbsovo prosto entalpijo sistema (∆𝐺°):
∆𝐺° = −𝑧𝐹𝐸° (1.4) ∆𝐺° = −𝑅𝑇𝑙𝑛𝐾𝑟 (1.5) Kombinacija gornjih dveh enačb nam da tudi zvezo med standardno redoks napetostjo 𝐸°
in ravnotežno konstanto redoks reakcije 𝐾𝑟: 𝐸° =𝑅𝑇
𝑧𝐹𝑙𝑛 𝐾𝑟 (1.6)
10
ki jo lahko dobimo tudi iz nekoliko preurejene Nernstove enačbe za celotno elektrokemijsko celico (1.7), oz. iz splošne Nernstove enačbe (1.8) za elektrokemijsko reakcijo polčlena:
𝐸 = 𝐸° − 𝑅𝑇
𝑧𝐹𝑙𝑛 𝐾𝑟 (1.7) 𝐸𝑟𝑒𝑑 = 𝐸𝑟𝑒𝑑⊖, −𝑅𝑇
𝑧𝐹𝑙𝑛𝐶𝑅𝑒𝑑
𝐶𝑂𝑥 (1.8) kjer je R splošna plinska konstanta (R = 8,3144 J K-1 mol-1), T temperatura v K, z število izmenjanih elektronov in F Faradayeva konstanta (F = 96485.3 C mol-1). 𝐸𝑟𝑒𝑑 je temperaturno odvisna napetost polčlena, 𝐸𝑟𝑒𝑑⊖, pa standardna napetost polčlena. CRed je koncentracija produkta (reducenta), COx pa koncentracija reaktanta (oksidanta, v primeru, ko obravnavamo polčlen 𝑂𝑥 + 𝑧 𝑒− → 𝑅𝑒𝑑 ).
S ciklično voltametrijo lahko določamo konstante stabilnosti elektroaktivnih kompleksov. Izračunamo jih iz Epc in Epa, ki sta v primeru, ko imamo idealno reverzibilne sisteme, odvisni le od stabilnosti posamezne koordinacijske spojine. Pri izračunu nam pomaga nekoliko preoblikovana Linganova enačba:
∆𝐸𝑝𝑐= −𝑅𝑇
𝑧𝐹𝑙𝑛𝐾 +2,303𝑥
𝑧 𝑝𝐻 (1.9) kjer x predstavlja število oddanih protonov liganda, ∆𝐸𝑝𝑐 pa spremembo redukcijske napetosti. K je mogoče določiti tudi iz grafa odvisnosti ∆𝐸𝑝𝑐 od pH [30–32].
2.2.3 Voltametrija s kvadratnimi valovi
Voltametrija s kvadratnimi valovi (angl. square-wave voltammetry, SWV) je pulzna voltametrična tehnika. Je najbolj občutljiva voltametrična tehnika zahvaljujoč merjenju toka po obeh napetostnih pulzih, čemur sledi odštevanje tokov. Zaradi občutljivosti in kratkega časa meritve je pogosto uporabljana v elektroanaliznih meritvah.
Izvira iz Kalousekovega komutatorja in Barkerjeve polarografije s kvadratnimi valovi (angl. square-wave polarography). Kalousekov rotirajoči komutator je izmenjeval napetost na kapljajoči živosrebrovi elektrodi med dvema vrednostma s hitrostjo pet ciklov na sekundo. Razvili so tri tipe meritve z napetostnimi pulzi, med katerimi je danes najpogosteje uporabljani tip, pri katerem so vsi pulzi enako veliki. Kasneje sta metodo izboljšala še Ishibashi in Fujinaga, ki sta predstavila novo različico – diferencialno polarografijo, pri kateri se meri razlika tokov na polovici cikla signala kvadratnih valov.
Frekvenca signala je bila 14 Hz. Tri pomembne izboljšave sta dodala še Barker in Jenkins;
frekvenco sta povečala na 220 Hz, merjenje toka je potekalo zadnjih 280 μs vsakega pol- cikla, beležila pa se je razlika med dvema zaporednima meritvama. Cilj Brakerjevih izboljšav je bil zmanjšanje vpliva kapacitivnega toka; med vsakim pol-ciklom namreč
11
kapacitivni tok pada eksponentno s časom, Faradayev tok pa je obratno sorazmeren s kvadratnim korenom časa. Tako se da doseči, da je na določeni točki ob koncu pol-cikla prispevek Faradayevega toka bistveno večji od kapacitivnega, deloma pa se slednjega odšteje tudi pri odštevanju izmerjenih tokov dveh sledečih si pol-ciklov, in sicer zato, ker je kapacitivni tok odvisen od razlike med napetostma na elektrodi. Če je amplituda kvadratnih valov majhna, je tudi razlika med katodnim in anodnim pol-ciklom majhna in s tem je tudi kapacitivni tok majhen [38].
Večjo občutljivost voltametrije lahko dosežemo z inverznimi (angl. stripping) tehnikami (če lahko analit predkoncentriramo). Za določanje kovinskih ionov v sledovih je najprimernejša anodna inverzna (stripping) voltametrija s kvadratnimi valovi (angl.
Square-wave anodic stripping voltammetry, SWASV). Njena najpomembnejša prednost je predkoncentriranje analita na elektrodi, zaradi česar je občutljivost bistveno izboljšana – možno je celo določevanje analitov v območju koncentracij ngL-1. Tehnika je tudi relativno hitra in omogoča določanje več analitov hkrati. [4] Predpriprava vzorca je minimalna, predvsem pa precej enostavnejša od predpriprave vzorca za alternativne spektrometrične/spektroskopske tehnike. Pomembna prednost je tudi možnost izvajanja meritev na terenu, na licu mesta, kjer nas zanima rezultat, na primer vsebnost težkih kovin v industrijskih odplakah, reki, jezeru itd. Potenciostat/galvanostat in ostala potrebna oprema (elektrokemijska celica, referenčna, delovna in protielektroda ter mešalo) so cenovno neprimerljivo ugodnejši od opreme za izvedbo spektrometričnih/
spektroskopskih meritev [10], [11].
Proces meritve pri ASV je sestavljen iz dveh delov (prikazano na sliki 4). V prvem delu gre za predkoncentriranje analita, ki se v tem primeru zgodi z elektrodepozicijo (ali adsorpcijo ob prisotnosti ustreznega liganda, npr. Co/Ni-DMG) slednjega na delovno elektrodo. To naredimo tako, da za določen čas, to je čas depozicije (tdep) vzpostavimo tako negativno napetost na delovni elektrodi proti referenčni elektrodi, da je ta nižja od napetosti, ki je potrebna za redukcijo ionov analita (in po potrebi tudi nižja od redukcijske napetosti za ione s katerimi tvorimo elektrodno plast na in situ način na osnovni elektrodi). V času elektrodepozicije je običajno vključeno tudi aktivno mešanje vzorčne raztopine v elektrokemijski celici. Po poteku depozicijskega časa se mešanje raztopine ustavi, napetost na delovni elektrodi pa se ohrani do pričetka preleta napetosti, sicer bi prišlo do raztapljanja depozita. Sledi ekvilibracijski čas, ki je namenjen umiritvi raztopine, nato pa v drugem delu izvedemo meritev. Običajno začnemo kar z napetostjo, ki je enaka tisti v času depozicije analita in jo povečujemo v anodni smeri. Na ta način izvedemo re-oksidacijo (odtapljanje, stripping) analitov in tudi delovne elektrode, če delamo na in situ pripravljeni elektrodi. Pri re-oksidaciji steče tok, ki ga v primeru stripping voltametrije zaznamo kot tokovni signal. Med meritvijo se raztopina ne meša.
Rezultat meritve je odvisnost toka od napetosti, ki jo prikazuje (stripping) voltamogram.
Oksidacija različnih kovin poteka pri značilnih napetostih, ki se med sabo razlikujejo, zato ta tehnika omogoča določitev več elementov hkrati. [33], [39]–[41].
12
Slika 4: Shema celotnega procesa anodne stripping (inverzne) voltametrije.
V času meritve se tok izmeri dvakrat pri vsakem valu – prvič tik pred koncem izbranega pulza in drugič tik pred začetkom naslednjega. Meritev tik pred koncem pulza izkoristi že omenjeno dejstvo, da je tam kapacitivni tok najmanjši, s tem pa je tudi razmerje med Faradayevim tokom in kapacitivnim tokom (𝑖𝐹
𝑖𝑐
⁄ ) največje. Slika 5 prikazuje spreminjanje napetosti v času med meritvijo. Vsak kvadratni val je sestavljen iz dveh pulzov: naprej in nazaj (angl. forward in backward pulse). Pulza sta si torej nasprotna. Na enem poteka oksidacija, na drugem pa redukcija analita (kadar gre za reverzibilni sistem).
Meritvi, ki ju izvedemo na vsakem valu, sta tako izvedeni vsaka na svojem pulzu; ena na koncu pulza »naprej« in druga na koncu pulza »nazaj«. Tok, ki ga izmerimo na koncu pulza »naprej«, je anodni tok (ia), tisti na koncu pulza »nazaj« pa katodni tok (ik). Razliko med obema, ki jo imenujemo tudi skupni tok (∆𝑖 = 𝑖𝑎− 𝑖𝑘), pri vsakem pulzu beležimo v graf odvisnosti električnega toka od napetosti – voltamogram. Ker od pozitivnega anodnega toka odštevamo negativni katodni tok, pride do (navidezne) ojačitve signala (seštevek tokov), zato je občutljivost toliko večja. Signali, ki jih dobimo na tak način, so odvisni od koncentracije analita. Zvezo med tokom in koncentracijo podaja sledeča enačba:
∆𝑖 = 𝑐𝑧𝐹𝐴√ 𝐷
𝜋𝑡𝑚∙ (1−𝜎
1+𝜎) (1.10) z predstavlja število izmenjanih elektronov v redoks procesu, ki poteka med merjenjem, c je koncentracija analita, F Faradayeva konstanta, A površina elektrode, D je difuzijski koeficient, tm je čas pri katerem izvajamo meritev, σ pa konstanta, ki jo izračunamo po sledeči enačbi:
13
𝜎 = 𝑒𝑛𝐹∙𝐸𝑎𝑚𝑝2𝑅𝑇 (1.11) Eamp je magnituda posameznega pulza (ki se iz zgodovinskih razlogov imenuje amplituda), ki meri polovico celotne višine kvadratnega vala [42]. Dolžina posameznega pulza je enaka polovici trajanja ene periode (𝑡𝑝 = 𝜏 2⁄ ). Frekvenca signala je enaka recipročni vrednosti periode (𝑓 = 1 𝜏⁄ ). Napetostni korak, ∆𝐸, je enak napetostni razliki med dvema sledečima si kvadratnima valovoma. Rezultat eksperimenta so diskretne vrednosti toka pri napetostih, ki so med sabo razmaknjene za napetostni korak ΔE [42]–
[44]. Hitrost preleta je definirana kot ΔE/τ oz. ΔE*f . Točke lahko med sabo povežemo v krivuljo vendar črta med točkami nima fizikalnega pomena. Napetost vzdržujemo med delovno in referenčno elektrodo. Kot slednja se uporablja nasičena kalomelska elektroda (angl. saturated calomel electrode, SCE) ali pa srebro – srebro kloridna (Ag/AgCl) elektroda [45].
Slika 5: Shema spreminjanja napetosti s časom pri voltametriji s kvadratnimi valovi. Teq
prikazuje mrtvi čas oz. čas umirjanja raztopine (angl. quiet time), Eamp prikazuje amplitudno napetost, ΔE napetostni korak, τ pa periodo. Rdeči puščici kažeta točki na periodi, kjer se izvede merjenje toka.
Vrsta analitov, ki jih lahko določamo, je odvisna od napetostnega okna elektrode (angl.
potential window). To je napetostno območje, kjer je tok ozadja dovolj nizek (tokovi, ki niso posledica oksidacije/redukcije analita, so dovolj majhni), da bomo opazili signale za analit. Območje napetosti, ki jih zavzema napetostno okno, je odvisno od sestave medija vzorca (elektrolit, pH medija, itd.), pomožnih reagentov, če jih uporabljamo in seveda od delovne elektrode. V vodnih medijih je pri dovolj inertnih elektrodah (steklasti ogljik,
