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COBALTO(II) FTALOCIANINAEs un complejo organometálico, el centro de su estructura molecular es un macroanillo compuesto por cuatro átomos de nitrógeno y hay cuatro anillos de ftalocianina benceno a su alrededor. Es un polvo o gránulo de color azul oscuro, que es paramagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es fácilmente soluble en disolventes orgánicos comunes, como tolueno, dimetilformamida, cloroformo y tricloroetileno. Tiene alta estabilidad térmica. En el aire, necesita una temperatura alta para descomponerse, por lo que puede usarse como material fotosensible y dispositivo electrónico estable a altas temperaturas-. Con buenas propiedades eléctricas, tiene una amplia gama de aplicaciones para fotoconducción, conducción y conversión fotoeléctrica. Además, tiene aplicaciones potenciales en reconocimiento molecular y biosensores. Dentro de la molécula, los iones Co(II) forman enlaces de coordinación con cuatro átomos de nitrógeno adyacentes, lo que convierte a toda la molécula en una estructura octaédrica. Debido a sus ricas propiedades físicas y químicas y sus amplias perspectivas de aplicación, tiene importantes aplicaciones en los campos de tintes y pigmentos, fotosensibilizadores, fotocélulas, biosensores y catalizadores químicos.
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Fórmula química |
C32H16CoN82- |
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Masa exacta |
571 |
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Peso molecular |
571 |
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m/z |
571 (100.0%), 572 (34.6%), 573 (5.8%), 572 |
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Análisis elemental |
C, 67,26; H, 2,82; N, 19,61; Co, 10.31 |
Ftalocianina de cobalto (II)(CoPc), como compuesto orgánico de metal con cobalto como ion metálico central, ha demostrado un valor de aplicación irremplazable en muchos campos como catálisis, materiales optoelectrónicos, gobernanza ambiental, almacenamiento de energía, biomedicina, etc. debido a su estructura macrocíclica conjugada única, propiedades químicas estables y excelentes propiedades físicas.
Las propiedades catalíticas de la ftalocianina de cobalto provienen de su sistema de electrones π - altamente conjugado y de las propiedades redox reversibles de los iones de cobalto, lo que la convierte en un catalizador eficiente para la síntesis orgánica, la conversión de energía y la remediación ambiental.
1. Catálisis de síntesis orgánica.
Reacción de oxidación: la ftalocianina de cobalto puede catalizar la oxidación de alcoholes a aldehídos/cetonas, de hidrocarburos aromáticos a quinonas y otras reacciones. Por ejemplo, en la reacción de oxidación de metanol a formaldehído, la ftalocianina de cobalto sulfonada (CoPcS) tiene una tasa de conversión del 95 % y una selectividad superior al 90 %, significativamente mejor que los catalizadores tradicionales de hierro molibdeno.
Reacción de ciclación: en la síntesis de compuestos de indol, la ftalocianina de cobalto activa los reactivos mediante coordinación, aumentando el rendimiento de ciclación al 85%, reduciendo la temperatura de reacción de 150 grados a 80 grados y reduciendo el consumo de energía en un 40%.
Reacción de agregación: como catalizador para la polimerización de olefinas, la ftalocianina de cobalto puede regular la distribución del peso molecular de los polímeros para preparar polietileno de distribución estrecha (PDI).<1.5), meeting the demands of high-end plastic processing.
2. Catálisis energética
Pila de combustible: la ftalocianina de cobalto, como catalizador de la reacción de reducción de oxígeno (ORR), funciona bien en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC). El material compuesto cargado de nanofibras de carbono (CoPc/CNF) tiene un potencial inicial ORR de 0,92 V (frente a RHE) en una solución de 0,5 MH ₂ SO ₄, con una densidad de corriente 1,2 veces mayor que la de los catalizadores tradicionales de platino y carbono y una reducción de costos del 70 %.
Electrólisis del agua para la producción de hidrógeno: los derivados de ftalocianina de cobalto (como la ftalocianina de tetranitrocobalto, CoTNPc) catalizan la reacción de desprendimiento de oxígeno (REA) en condiciones alcalinas, con un sobrepotencial de solo 320 mV (10 mA/cm²) y una estabilidad superior a 1000 horas, lo que proporciona una solución de bajo-coste para la producción de hidrógeno con energía renovable.
Batería de litio y azufre: el material compuesto de ftalocianina de cobalto/grafeno como portador de azufre puede suprimir el efecto lanzadera de los polisulfuros, lo que da como resultado una tasa de retención de capacidad del 82 % y una densidad de energía superior a 400 Wh/kg después de 200 ciclos de batería de litio y azufre.
3. Catálisis ambiental
Desulfuración del petróleo: la ftalocianina de cobalto sulfonada (CoPcS) como desodorante de la gasolina puede eliminar profundamente los compuestos de tiol (como el tiofeno), reduciendo el contenido de azufre de la gasolina de 500 ppm a menos de 10 ppm, cumpliendo con el estándar nacional de emisiones VI.
Su actividad catalítica es tres veces mayor que la del método tradicional de hidróxido de sodio y no hay contaminación secundaria.
Degradación del tinte: el material compuesto de ftalocianina de cobalto/nanofibra PAN cataliza la degradación del tinte rojo ácido G bajo luz visible, con una tasa de decoloración del 94 % y una tasa de mineralización de más del 80 % en 3 horas, muy superior al sistema fotocatalítico puro.
Reducción de CO ₂: la ftalocianina de tetranitrocobalto cataliza la electrorreducción de CO ₂ a ácido fórmico, con una eficiencia de Faraday del 67 % y una densidad de corriente de 5 mA/cm ², proporcionando una nueva vía para la captura y utilización de carbono (CCU).
En el campo de los materiales optoelectrónicos: el "medio central" para la conversión de energía luminosa
Las fuertes características de absorción de luz (pico de absorción a 600-700 nm) y la alta movilidad del portador de la ftalocianina de cobalto la convierten en un material clave para dispositivos de conversión optoelectrónica.
1. Células solares orgánicas
Material de capa activa: se mezclaron ftalocianina de cobalto y derivados de fullereno (PCBM) para preparar células solares de heterounión masiva (BHJ), con una eficiencia de conversión fotoeléctrica (PCE) del 6,8 % y un voltaje de circuito abierto (Voc) aumentado a 0,9 V, llenando el vacío en los materiales fotovoltaicos orgánicos de banda prohibida estrecha.
Capa de modificación de la interfaz: la película delgada de ftalocianina de cobalto como capa de transporte de orificios (HTL) puede reducir la pérdida por recombinación de la interfaz, aumentar la eficiencia de las células solares de perovskita del 18% al 21% y extender la estabilidad a 3000 horas.
2. Detector de luz
Detección de infrarrojo cercano: la película compuesta de ftalocianina de cobalto/dióxido de titanio (TiO ₂) tiene una capacidad de respuesta de 0,3 A/W a una longitud de onda de 980 nm y una tasa de detección superior a 10 ¹ ² Jones, lo que la hace adecuada para monitorear señales de comunicación de fibra óptica.
Detector flexible: el fotodetector flexible hecho de hidrogel de ftalocianina de cobalto/alcohol polivinílico (PVA) aún mantiene el 90 % de su rendimiento inicial bajo la condición de un radio de curvatura de 5 mm, que es adecuado para dispositivos portátiles y piel electrónica.
3. Diodos emisores de luz orgánicos (OLED)
Material de la capa luminiscente:Ftalocianina de cobalto (II)Se utilizan derivados (como la ftalocianina de cobalto tetracarboxílico, CoTcPc) como materiales luminiscentes fosforescentes, con una eficiencia cuántica interna (IQE) cercana al 100% y una eficiencia cuántica externa (EQE) del 25%. Las coordenadas de color (0,15, 0,20) se aproximan al estándar de luz azul pura.
Capa de transporte electrónico: el compuesto de nanopartículas de ftalocianina de cobalto y óxido de zinc (ZnO) puede reducir el voltaje de conducción del OLED a 3,5 V y extender la vida útil a 10000 horas.
La alta selectividad y sensibilidad del óxido de cobalto ante gases o biomoléculas específicas lo convierten en un material estrella en el campo de los sensores.
1. Sensor de gasolina
Detección de amoníaco: el sensor de película delgada compuesto de ftalocianina/polianilina de cobalto (PANI) tiene una tasa de cambio de resistencia del 300 % bajo 1 ppm de gas amoníaco, un límite de detección tan bajo como 0,1 ppm y un tiempo de respuesta de menos de 10 segundos. Se puede utilizar para el control de gases residuales industriales.
Detección de oxígeno: el electrodo modificado con ftalocianina de cobalto exhibe una relación lineal entre la corriente de reducción de oxígeno y la concentración de oxígeno en una solución de KOH 0,1 M (R ²=0.999), con un rango de detección de 0-100 %. Es adecuado para monitorear el contenido de oxígeno en espacios confinados.
2. Biosensores
Detección de glucosa: el electrodo compuesto de ftalocianina de cobalto/glucosa oxidasa (GOx) cataliza la oxidación de la glucosa para producir H ₂ O ₂, y la señal de corriente es proporcional a la concentración de glucosa. El límite de detección es tan bajo como 1 μ M, lo que lo hace adecuado para la monitorización no-de glucosa en sangre invasiva.
Detección de ADN: las nanopartículas de oro funcionalizadas con ftalocianina de cobalto (AuNP) sirven como sondas de señal, que pueden detectar mutaciones de una sola base al inducir la extinción de la fluorescencia a través de la hibridación del ADN, con una sensibilidad de 10 ⁻¹⁵ M.
COBALTO(II) FTALOCIANINA(CoPc) es un complejo metal-orgánico ampliamente utilizado con excelentes propiedades optoelectrónicas y fisicoquímicas. Para satisfacer sus necesidades en diferentes campos, muchos químicos han desarrollado varios métodos para la síntesis de CoPc.
1. Método de reducción por cloración de Me3CO-Co(III)Pc:
Este es uno de los métodos de síntesis de CoPc más utilizados y requiere materiales de partida como CoCl2 6H2O, anhídrido ftálico (PHTH) y urea, así como agentes reductores como trietanol (MeOH) y borohidruro de sodio (NaBH4). El método es una reacción de dos-pasos:
El primer paso consiste en disolver CoCl2 y PHTH en trimetanol y hacer que formen un complejo de coordinación mediante la posterior adición de urea. Bajo la acción del catalizador, el grupo carboxilo del compuesto de coordinación formará un complejo con Co2+.
El segundo paso es la reducción de Co2+ utilizando NaBH4 para generar seis-CoPc coordinados. Además, la estructura cristalina de CoPc también se puede ajustar optimizando parámetros como las condiciones de reacción (como temperatura, valor de pH, reducción de dosis, etc.).
Las ventajas de este método son condiciones de reacción suaves, operación simple y alto rendimiento (hasta 80%) para la síntesis de CoPc. Sin embargo, la desventaja es que lleva mucho tiempo-, requiere múltiples pasos para sintetizar CoPc y el rendimiento también se ve afectado por la calidad y pureza del material de partida.
2. Método hidrotermal con almidón de patata como plantilla:
El método hidrotermal que utiliza almidón de patata como plantilla es otro método utilizado para preparar CoPc, en el que primero se mezclan Co(Ac)2 (ion Ac-acetato) y PHTH en un disolvente orgánico para formar un compuesto de coordinación. Luego, la mezcla se vierte en un medio acuoso que contiene almidón de patata y se somete a una reacción hidrotermal a alta temperatura y alta presión durante un período de tiempo.
Durante este proceso, la plantilla de almidón de patata no se puede descomponer y la PHTH y Co(Ac)2 se combinarán con la plantilla para formar CoPc y formar nanopartículas dentro de la plantilla de almidón. Posteriormente, eliminando la plantilla de almidón, se pueden fabricar CoPcs a nanoescala.
La ventaja de este método es que tiene una buena estructura cristalina y propiedades monodispersas, y sus productos cumplen directamente con los requisitos de la aplicación y no se requiere ningún tratamiento adicional de modificación de la superficie. Al mismo tiempo, el método tiene las ventajas de un bajo coste de fabricación, un funcionamiento sencillo y un bajo coste.
3. Método de co-precipitación:
La co-precipitación es otro método común para preparar CoPc. Este método necesita disolver Co2+ y PHTH en una solución con una determinada fracción de volumen y luego agregar una cierta cantidad de medio alcalino como NaOH o NH3·H2O para formar un precipitado. A partir de las muestras precipitadas resultantes, el CoPc se puede lavar y purificar con agua desionizada u otros disolventes.
Este método tiene buena controlabilidad y eficiencia de producción, y la estructura cristalina y la morfología del producto se pueden ajustar cambiando las condiciones de reacción para mejorar la pureza. Pero la desventaja es que durante la reacción, es necesario evitar el hidróxido de cobalto y otros subproductos- inútiles.
4. Método de reducción de metales que se oxidan fácilmente:
El método fácil de reducción oxidativa de metales también es un método común de síntesis de CoPc. Este método requiere el uso de productos de síntesis primaria de CoPc preparados en condiciones ácidas y reducción con un agente reductor como N2H4·H2O para lograr un estado de valencia fijo de Co(I)Pc o Co(II)Pc. Diferentes agentes reductores y condiciones de reacción pueden generar diferentes productos de la serie CoPc.
Las principales ventajas de este método son la velocidad rápida, la operación simple, la fácil disponibilidad y el bajo precio del agente reductor. Pero la desventaja es que la atmósfera de reacción y el agente reductor son altamente irritantes y tóxicos para el cuerpo humano cuando se usan, y los desechos generados son difíciles de manejar.
5. Método de descarga de brillo de plasma:
El método de descarga luminosa de plasma es otro método único de síntesis de CoPc. El método requiere disolver Co2.+y PHTH en metanol y hacerlos reaccionar mediante la técnica de descarga luminosa de plasma. Esta técnica puede estimular rápidamente la reacción a alta densidad de potencia y generar el producto CoPc deseado. Este método no necesita utilizar agentes reductores ni plantillas de almidón, etc., y es adecuado para síntesis y producción industrial a gran-escala.
Las principales ventajas de este método son la alta velocidad, el alto rendimiento, la ausencia de tratamientos adicionales de modificación de la superficie, el respeto al medio ambiente y la buena reproducibilidad. Pero su desventaja es que requiere altos requisitos de equipamiento y un alto costo.
En resumen, existen muchos métodos paraFtalocianina de cobalto (II)síntesis, y cada método tiene sus ventajas y desventajas únicas. El método específico a elegir depende de factores como su costo, dificultad operativa, rendimiento de síntesis, pureza y requisitos de aplicación. Para obtener una mayor pureza y un mejor rendimiento, las condiciones de reacción se pueden ajustar según las necesidades reales, como cambiar parámetros como el tiempo de reacción, la temperatura, el valor del pH o reducir la dosis.
La estructura molecular de CoPc se describe a continuación:
La molécula de CoPc consta de un átomo de Co central y cuatro grupos pirrolidinilo, presentando una estructura molecular tetragonal plana similar a la clorofila. Entre ellos, el grupo pirrolidinilo se coordina con el átomo de Co a través del átomo de nitrógeno para formar una serie de enlaces químicos estables, formando así la estructura esquelética de la molécula de CoPc. Alrededor del átomo de Co también hay anillos de benceno extendidos por grupos pirrolidinilo, que están cargados negativamente y pueden interactuar con cationes externos para formar interacciones electrostáticas.
La estructura plana de las moléculas de CoPc hace que tengan buenas propiedades optoelectrónicas y se utilicen ampliamente en aplicaciones como células solares, pantallas y catalizadores. Al mismo tiempo, la estabilidad de la estructura molecular también ofrece potencial para su aplicación en el campo de la biomedicina.
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