Cobalto (II) Ftalocianina CAS 3317-67-7

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COBALTO(II) FTALOCIANINAé um complexo organometálico, o centro de sua estrutura molecular é um macro anel composto por quatro átomos de nitrogênio e há quatro anéis de ftalocianina benzeno ao seu redor. É um pó ou grânulo azul escuro, paramagnético à temperatura ambiente e à pressão atmosférica. É facilmente solúvel em solventes orgânicos comuns, como tolueno, dimetilformamida, clorofórmio e tricloroetileno. Possui alta estabilidade térmica. No ar, ele precisa de alta temperatura para se decompor, por isso pode ser usado como material fotossensível e dispositivo eletrônico estável em altas-temperaturas. Com boas propriedades elétricas, possui ampla gama de aplicações para fotocondução, condução e conversão fotoelétrica. Além disso, tem aplicações potenciais em reconhecimento molecular e biossensores. Dentro da molécula, os íons Co (II) formam ligações de coordenação com quatro átomos de nitrogênio adjacentes, tornando a molécula inteira uma estrutura octaédrica. Devido às suas ricas propriedades físicas e químicas e amplas perspectivas de aplicação, possui importantes aplicações nas áreas de corantes e pigmentos, fotossensibilizadores, fotocélulas, biossensores e catalisadores químicos.

Cobalto (II) Ftalocianina(CoPc), como um composto metálico orgânico com cobalto como íon metálico central, demonstrou valor de aplicação insubstituível em muitos campos, como catálise, materiais optoeletrônicos, governança ambiental, armazenamento de energia, biomedicina, etc., devido à sua estrutura macrocíclica conjugada única, propriedades químicas estáveis ​​e excelentes propriedades físicas.

Campo catalítico: o “motor verde” das reações industriais

 

As propriedades catalíticas da ftalocianina de cobalto decorrem de seu sistema de elétrons π - altamente conjugado e das propriedades redox reversíveis dos íons de cobalto, tornando-a um catalisador eficiente para síntese orgânica, conversão de energia e remediação ambiental.

1. Catálise de síntese orgânica
Reação de oxidação: A ftalocianina de cobalto pode catalisar a oxidação de álcoois em aldeídos/cetonas, hidrocarbonetos aromáticos em quinonas e outras reações. Por exemplo, na reação de oxidação do metanol em formaldeído, a ftalocianina de cobalto sulfonada (CoPcS) tem uma taxa de conversão de 95% e uma seletividade superior a 90%, significativamente melhor do que os catalisadores tradicionais de ferro-molibdênio.

 

Reação de ciclização: Na síntese de compostos indol, a ftalocianina de cobalto ativa os reagentes por meio da coordenação, aumentando o rendimento da ciclização para 85%, reduzindo a temperatura de reação de 150 graus para 80 graus e reduzindo o consumo de energia em 40%.
Reação de agregação: Como catalisador para a polimerização de olefinas, a ftalocianina de cobalto pode regular a distribuição de peso molecular de polímeros para preparar polietileno de distribuição estreita (PDI<1.5), meeting the demands of high-end plastic processing.

 

2. Catálise energética
Célula de combustível: A ftalocianina de cobalto, como catalisador da reação de redução de oxigênio (ORR), tem um bom desempenho em células de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC). O material compósito carregado com nanofibra de carbono (CoPc/CNF) tem um potencial inicial ORR de 0,92V (vs. RHE) em uma solução de 0,5MH ₂ SO ₄, com uma densidade de corrente 1,2 vezes maior que a dos catalisadores tradicionais de platina-carbono e uma redução de custo de 70%.
Eletrólise da água para produção de hidrogênio: derivados de ftalocianina de cobalto (como tetranitrocobalto ftalocianina, CoTNPc) catalisam a reação de evolução de oxigênio (OER) sob condições alcalinas, com um sobrepotencial de apenas 320mV (10mA/cm²) e estabilidade superior a 1.000 horas, fornecendo uma solução-de baixo custo para a produção de hidrogênio por energia renovável.

 

Bateria de enxofre de lítio: O material compósito de cobalto ftalocianina/grafeno como transportador de enxofre pode suprimir o efeito de transporte de polissulfetos, resultando em uma taxa de retenção de capacidade de 82% e uma densidade de energia superior a 400Wh/kg após 200 ciclos de bateria de enxofre de lítio.
3. Catálise ambiental
Dessulfurização de petróleo: a ftalocianina de cobalto sulfonada (CoPcS) como desodorizante de gasolina pode remover profundamente compostos de tiol (como o tiofeno), reduzindo o teor de enxofre da gasolina de 500 ppm para menos de 10 ppm, atendendo ao padrão nacional de emissão VI.

 

Sua atividade catalítica é três vezes maior que a do método tradicional de hidróxido de sódio e não há poluição secundária.

Degradação do corante: O material compósito de ftalocianina de cobalto/nanofibra PAN catalisa a degradação do corante vermelho ácido G sob luz visível, com uma taxa de descoloração de 94% e uma taxa de mineralização de mais de 80% em 3 horas, muito superior ao sistema fotocatalítico puro.
Redução de CO ₂: A ftalocianina de tetranitrocobalto catalisa a eletrorredução de CO ₂ em ácido fórmico, com uma eficiência de Faraday de 67% e uma densidade de corrente de 5mA/cm², fornecendo um novo caminho para captura e utilização de carbono (CCU).

No campo dos materiais optoeletrônicos: o "meio central" para conversão de energia luminosa

 

As fortes características de absorção de luz (pico de absorção em 600-700nm) e a alta mobilidade do portador da ftalocianina de cobalto tornam-na um material chave para dispositivos de conversão optoeletrônica.

1. Células solares orgânicas
Material da camada ativa: Ftalocianina de cobalto e derivados de fulereno (PCBM) foram misturados para preparar células solares de heterojunção em massa (BHJ), com uma eficiência de conversão fotoelétrica (PCE) de 6,8% e uma tensão de circuito aberto (Voc) aumentada para 0,9V, preenchendo a lacuna em materiais fotovoltaicos orgânicos de banda estreita.
Camada de modificação de interface: O filme fino de ftalocianina de cobalto como camada de transporte de furos (HTL) pode reduzir a perda de recombinação de interface, aumentar a eficiência das células solares de perovskita de 18% para 21% e estender a estabilidade para 3.000 horas.

 

2. Detector de luz
Detecção por infravermelho próximo: O filme composto de ftalocianina de cobalto/dióxido de titânio (TiO ₂) tem uma capacidade de resposta de 0,3A/W em um comprimento de onda de 980nm e uma taxa de detecção superior a 10 ¹ ² Jones, tornando-o adequado para monitorar sinais de comunicação de fibra óptica.
Detector flexível: O fotodetector flexível feito de hidrogel de ftalocianina de cobalto/álcool polivinílico (PVA) ainda mantém 90% de seu desempenho inicial sob a condição de um raio de curvatura de 5 mm, que é adequado para dispositivos vestíveis e pele eletrônica.

 

3. Diodos Emissores de Luz Orgânicos (OLEDs)
Material da camada luminescente:Cobalto (II) Ftalocianinaderivados (como ftalocianina de cobalto tetracarboxílico, CoTcPc) são usados ​​como materiais luminescentes fosforescentes, com eficiência quântica interna (IQE) próxima a 100% e eficiência quântica externa (EQE) de 25%. As coordenadas de cor (0,15, 0,20) estão próximas do padrão de luz azul puro.
Camada de transporte eletrônico: Composto de nanopartículas de ftalocianina de cobalto e óxido de zinco (ZnO) pode reduzir a tensão de condução do OLED para 3,5 V e estender a vida útil para 10.000 horas.

Campo do sensor: “antenas sensíveis” para monitoramento ambiental

 

A alta seletividade e sensibilidade do óxido de cobalto a gases ou biomoléculas específicas fazem dele um material estrela no campo de sensores.

1. Sensor de gás
Detecção de amônia: O sensor de filme fino composto de cobalto ftalocianina/polianilina (PANI) tem uma taxa de alteração de resistência de 300% sob 1 ppm de gás amônia, um limite de detecção tão baixo quanto 0,1 ppm e um tempo de resposta de menos de 10 segundos. Pode ser usado para monitoramento de gases residuais industriais.
Detecção de oxigênio: O eletrodo modificado com ftalocianina de cobalto exibe uma relação linear entre a corrente de redução de oxigênio e a concentração de oxigênio em uma solução de KOH 0,1M (R²=0.999), com uma faixa de detecção de 0-100%. É adequado para monitorar o conteúdo de oxigênio em espaços confinados.

 

2. Biossensores
Detecção de glicose: O eletrodo composto de cobalto ftalocianina/glicose oxidase (GOx) catalisa a oxidação da glicose para produzir H ₂ O ₂, e o sinal de corrente é proporcional à concentração de glicose. O limite de detecção é tão baixo quanto 1 μM, tornando-o adequado para monitoramento não-invasivo da glicemia.
Detecção de DNA: Nanopartículas de ouro funcionalizadas com ftalocianina de cobalto (AuNPs) servem como sondas de sinal, que podem detectar mutações de base única induzindo a extinção de fluorescência por meio de hibridização de DNA, com uma sensibilidade de 10 ⁻¹⁵ M.

COBALTO(II) FTALOCIANINA(CoPc) é um complexo metálico-orgânico amplamente utilizado com excelentes propriedades optoeletrônicas e propriedades físico-químicas. Para atender às suas necessidades em diferentes campos, muitos químicos desenvolveram vários métodos para a síntese de CoPc.

Este é um dos métodos de síntese de CoPc mais comumente usados ​​e requer materiais de partida como CoCl2 6H2O, anidrido ftálico (PHTH) e ureia, bem como agentes redutores como trimetanol (MeOH) e borohidreto de sódio (NaBH4). O método é uma reação em duas-etapas:

A primeira etapa envolve dissolver CoCl2 e PHTH em trimetanol e fazer com que formem um complexo de coordenação pela adição subsequente de uréia. Sob a ação do catalisador, o grupo carboxila do composto de coordenação formará um complexo com Co2+.

A segunda etapa é a redução de Co2+ usando NaBH4 para gerar seis-CoPc coordenados. Além disso, a estrutura cristalina do CoPc também pode ser ajustada otimizando parâmetros como condições de reação (como temperatura, valor de pH, redução da dose, etc.).

As vantagens deste método são condições de reação suaves, operação simples e alto rendimento (até 80%) para a síntese de CoPc. No entanto, a desvantagem é que é demorado-, requer várias etapas para sintetizar CoPc e o rendimento também é afetado pela qualidade e pureza do material de partida.

O método hidrotérmico usando amido de batata como modelo é outro método usado para preparar CoPc, no qual Co(Ac)2 (íon acetato de Ac-) e PHTH são primeiro misturados em um solvente orgânico para formar um composto de coordenação. A mistura é então vertida num meio aquoso contendo amido de batata e submetida a reacção hidrotérmica sob alta temperatura e alta pressão durante um período de tempo.

Durante este processo, o modelo de amido de batata não pode ser decomposto, e PHTH e Co(Ac)2 se combinarão com o modelo para formar CoPc e formar nanopartículas dentro do modelo de amido. Posteriormente, removendo o modelo de amido, CoPcs em nanoescala podem ser fabricados.

A vantagem deste método é que ele possui uma boa estrutura cristalina e propriedades monodispersas, e seus produtos atendem diretamente aos requisitos da aplicação, não sendo necessário nenhum tratamento adicional de modificação de superfície. Ao mesmo tempo, o método apresenta as vantagens de baixo custo de fabricação, operação simples e baixo custo.

A co-precipitação é outro método comum para preparar CoPc. Este método precisa dissolver Co2+ e PHTH em uma solução com uma certa fração de volume e, em seguida, adicionar uma certa quantidade de meio alcalino, como NaOH ou NH3·H2O, para formar um precipitado. A partir das amostras precipitadas resultantes, o CoPc pode ser lavado e purificado com água deionizada ou outros solventes.

Este método tem boa controlabilidade e eficiência de produção, e a estrutura cristalina e a morfologia do produto podem ser ajustadas alterando as condições de reação para melhorar a pureza. Mas a desvantagem é que durante a reação, o hidróxido de cobalto e outros sub-produtos inúteis precisam ser evitados.

O método fácil de redução de metal oxidativo também é um método comum de síntese de CoPc. Este método requer o uso de produtos de síntese primária de CoPc preparados sob condições ácidas e redução com um agente redutor como N2H4·H2O para atingir um estado de valência fixo de Co(I)Pc ou Co(II)Pc. Diferentes agentes redutores e condições de reação podem gerar diferentes produtos da série CoPc.

As principais vantagens deste método são rapidez, operação simples, fácil disponibilidade e baixo preço do agente redutor. Mas a desvantagem é que a atmosfera de reação e o agente redutor são altamente irritantes e tóxicos para o corpo humano quando utilizados, e os resíduos gerados são difíceis de manusear.

O método de descarga luminosa de plasma é outro método exclusivo de síntese de CoPc. O método requer a dissolução de Co2⁺e PHTH em metanol e reagindo-os pela técnica de descarga luminosa de plasma. Esta técnica pode estimular rapidamente a reação em alta densidade de potência e gerar o produto CoPc desejado. Este método não precisa usar agentes redutores ou modelos de amido, etc., e é adequado para síntese em larga escala e produção industrial.

As principais vantagens deste método são alta velocidade, alto rendimento, nenhum tratamento adicional de modificação de superfície, respeito ao meio ambiente e boa reprodutibilidade. Mas sua desvantagem é que requer altos requisitos de equipamento e alto custo.

Em suma, existem muitos métodos paraCobalto (II) ftalocianinasíntese, e cada método tem suas vantagens e desvantagens exclusivas. O método específico a ser escolhido depende de fatores como custo, dificuldade operacional, rendimento de síntese, pureza e requisitos de aplicação. Para obter maior pureza e melhor desempenho, as condições de reação podem ser ajustadas de acordo com as necessidades reais, como alteração de parâmetros como tempo de reação, temperatura, valor de pH ou redução da dosagem.

A estrutura molecular do CoPc é descrita abaixo:

A molécula CoPc consiste em um átomo central de Co e quatro grupos pirrolidinil, apresentando uma estrutura molecular tetragonal planar semelhante à clorofila. Entre eles, o grupo pirrolidinil coordena-se com o átomo de Co através do átomo de nitrogênio para formar uma série de ligações químicas estáveis, formando assim a estrutura do esqueleto da molécula CoPc. Ao redor do átomo de Co, também existem anéis de benzeno estendidos por grupos pirrolidinil, que são carregados negativamente e podem interagir com cátions externos para formar interações eletrostáticas.

A estrutura planar das moléculas CoPc faz com que elas tenham boas propriedades optoeletrônicas e sejam amplamente utilizadas em aplicações como células solares, displays e catalisadores. Ao mesmo tempo, a estabilidade da estrutura molecular também oferece potencial para sua aplicação no campo da biomedicina.

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