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Type: Tese de Doutorado
Title: Síntese e caracterização físico-química e eletroquímica de materiais poliméricos derivados do tiofeno ß-substituído para aplicação em dispositivos optoeletrônicos
Authors: Marcos Roberto de Abreu Alves
First Advisor: Tulio Matencio
First Co-advisor: Hallen Daniel Rezende Calado
First Referee: Joao Marcos Madurro
Second Referee: Marco Antônio Schiavon
Third Referee: Luciano Andrey Montoro
metadata.dc.contributor.referee4: Fabiano Vargas Pereira
Abstract: Este trabalho apresenta o estudo de materiais poliméricos com propriedades promissoras para aplicação na área de eletrônica orgânica. O polímero poli(3-metoxitiofeno) (PMOT) e seus copolímeros com 3- tiofenometanol, 3-tiofenoetanol e ácido 3-tiofenocarboxílico foram eletrossintetisados e tiveram suas propriedades espectroeletroquímicas estudadas (tempo de resposta, eficiência eletrocrômica e contraste óptico). Todos os polímeros apresentaram variação reversível de sua cor entre azul (estado oxidado) e laranja (estado reduzido). Foi realizado um estudo detalhado da influência do transporte de massa durante a eletropolimerização do 3-metoxitiofeno e um estudo eletroquímico, por voltametria cíclica, do poli(3-metoxitiofeno) empregando-se diferentes eletrólitos, nos quais medidas simultâneas de efeito miragem e microbalança de quartzo foram feitas. Tal estudo permitiu avaliar a influência que o cátion possui nas propriedades eletroquímicas tanto do monômero quanto do polímero. Além disso, observou-se um comportamento anômalo do polímero sintetizado e estudado na presença do íon potássio (K+) quando comparado aos demais. A reversibilidade eletroquímica dos polímeros obtidos também foi avaliada frente aos diferentes eletrólitos e foi possível observar a influência da espessura do filme polimérico nas propriedades eletroquímicas. Nanocompósitos de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) e nanotubos de carbono multicamadas (multi-walled carbon nanotubes (MWCNT)) foram preparados "in situ" por meio da polimerização oxidativa na presença de 8% e 16% (m/m) de MWCNT. Os nanocompósitos foram solúveis em solventes orgânicos comuns, formando solução de cor laranja escuro e filmes autossustentáveis (espessura > 1 µm). As análises de RMN de 1H mostram que as amostras apresentam ligações químicas predominantes entre os monômeros do tipo cabeça-calda (head-to-tail) (H-T) e IV-ATR, indicando uma discreta interação entre a cadeia polimérica e os nanotubos. As amostras absorvem na região do violeta e apresentam emissão intensa e visível a olho nu na região do laranja. A morfologia e o comportamento térmico também foram investigados. As imagens de MEV mostraram que os nanotubos estão envolvidos pelo polímero. O perfil eletroquímico foi determinado em diferentes velocidades de varredura. Estudos de espectroeletroquímica também foram realizados, onde se verificou uma significativa redução do tempo de resposta de oxidação (t) para os polímeros na presença de nanotubos; P3HT puro possui t de 6,2 s, enquanto que o nanocompósito com 16% (m/m) de MWCNT possui t de 1,2 s. A síntese do poli(3-dodeciltiofeno) e a preparação de nanocompósitos com nanofolhas de grafeno também foram realizadas. Os nanocompósitos foram caracterizados pelas técnicas espectroscópicas usuais evidenciando a regiorregularidade do polímero e as interações entre a estrutura polimérica e a carga nanoestruturada. O comportamento eletroquímico e óptico foram avaliados. Observou-se um aumento discreto da reversibilidade do processo redox, identificado pela diminuição da diferença entre o potencial de oxidação e redução. Foi também verificada a possibilidade das nanofolhas de grafeno atuarem como armadilha de elétrons.
Abstract: This paper presents the study of polymeric materials with promising properties for application in organic electronics. Poly(3-methoxythiophene) (PMOT) and copolymers with 3-thiophenemethanol, 3-tiofenoetanol acid and 3-thiophenecarboxylic were obtained by electropolymerization and their spectroelectrochemical properties were studied (response time, opticalcontrast, and electrochromic efficiency). All polymers showed color reversible change between blue (oxidized state) and orange (reduced state). 3-methoxythiophene electropolymerization and electrochemical study of poly(3-methoxythiophene), by cyclic voltammetry using different electrolytes, were realized. Simultaneous measurements of the mirage effect and the quartz microbalance were alsoperformed. This study evaluated the influence of cations on the electrochemical monomer and polymer properties and allowed us to observe an anomalous synthesized polymer behavior in the presence of potassium ions (K+) when compared with other cations. The electrochemical reversibility of the polymers was also evaluated withrespect to the various electrolytes and the influence of the polymer film thickness, (deposited mass) on its electrochemical properties, was observed. Nanocomposites based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) were prepared in situ through oxidative polymerization with 8% and 16% (w/w) MWCNT. The nanocomposites were highly soluble in common organic solvents and formed a dark orange solution as well as sustainable films (thickness > 1 m). The ATR-FTIR and 1H NMR analyses showed that the samples had head-to-tail (HT) regio-regularity and indicated a - and CH2- interaction between the polymer chain and the nanotubes. The samples absorbed in the violet region, and the emission (photoluminescence, PL) was visible to the naked eye in the orange region. The morphology and thermal behavior was evaluated. The SEM images showed nanotube adhesion to the polymer. The electrochemical profile was determined atdifferent scan rates. Spectroelectrochemical studies showed a significant reduction in oxidation response time (t) with nanotubes in the polymeric matrix; pure P3HT had a t of 6.2 s; while the 16% MWCNT nanocomposites had a t of 1.2 s. Poly(3-dodecylthiophene) composites and graphene nanosheets (GNS) were also produced. Physicochemical, electrochemical and optical characterizations were performed (ATR-FTIR, 1H NMR, TGA, CV, UV-vis, PL). Measures of cyclic voltammetry show a slight increase of redox process reversibility, identified by decreasing the difference between the oxidation and reduction potentials. Furthermore, the photoluminescence was performed to assess the possibility of graphene nanoplatelets act as electron trap, where it was possible to observe quenching of the excited state of the polymer (via PL) and indications of interactions of the type - between the polymeric matrix and the GNS
Subject: Físico-química
Fotoluminescência
Nanotubos de carbono
Polímeros conjugados
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-979PL9
Issue Date: 15-Apr-2013
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