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Ciclovoltammetria (CV) technique
cv
elettrochimica
bandgap
homo-lumo
onset
ferrocene
drogaggio
2026-10-09 2026-10-09 §3.3 r.666-699; §3.4 r.702-714; §4.4 r.1100-1251; §5 r.1289
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fig-039
fig-069
fig-070
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fig-072
fig-073
draft

Ciclovoltammetria (CV)

La CV è una tecnica elettrochimica dinamica della famiglia delle voltammetriche, usata per studiare i processi redox; per materiali macromolecolari e coniugati serve a indagare trasferimento elettronico, stabilità elettrochimica e gap energetico elettrochimico (§4.4, r.1102-1104). Risultati per composto: copolimeri-3a-3b-3c, bottle-brush-3-x.

1. Principi teorici (§3.3, r.668-699)

  • A differenza delle tecniche in stato stazionario il potenziale varia in modo continuo nel tempo (strumento utile per i meccanismi di trasferimento elettronico).
  • Cella a tre elettrodi con potenziostato:
    • WE (Working Electrode): superficie dove avviene l'ossidazione o riduzione del campione.
    • RE (Reference Electrode): potenziale noto e stabile (es. Ag/AgCl o filo d'argento come pseudo-riferimento). Il potenziostato ha impedenza d'ingresso molto elevata: nel RE non passa corrente, non si polarizza, il riferimento resta costante.
    • CE (Counter Electrode): materiale inerte ad ampia area (es. filo di platino); chiude il circuito e permette il passaggio della corrente che bilancia la reazione faradica sul WE.
  • Il WE riceve un potenziale che varia linearmente nel tempo con onda triangolare: da Ei a Eλ (inversione) a velocità costante (scan rate, V/s), poi inversione del verso.
  • La corrente misurata = corrente capacitiva (carica/scarica del doppio strato elettrico all'interfaccia) + corrente faradica (trasferimento di elettroni reale, legge di Faraday).
  • Elettrolita di supporto: minimizza la caduta ohmica e sopprime la migrazione delle specie cariche; il moto delle specie elettroattive è governato quasi solo da diffusione (gradiente di concentrazione).
  • In un processo redox reversibile, avvicinandosi al potenziale standard di riduzione E0 la corrente faradica sale secondo Nernst:

E=E^{0}+\frac{RT}{nF}ln\left(\frac{C_{ox}}{C_{red}}\right)

Equazione 6 - equazione di Nernst

  • La corrente cresce fino al picco Ip: lo strato di soluzione vicino all'elettrodo si impoverisce, il processo è limitato dalla diffusione dal bulk. Dopo il picco lo strato di diffusione si espande e la corrente decresce come t-1/2 (Cottrell):

I\left(t\right)=\frac{nFAD^{1/2}C^{*}}{\pi ^{1/2}t^{1/2}}

Equazione 7 - equazione di Cottrell

con I(t) corrente al tempo t, n numero di elettroni scambiati, F costante di Faraday, A area attiva dell'elettrodo, D coefficiente di diffusione, C* concentrazione nel bulk, t tempo.

  • Invertendo il potenziale, le specie generate subiscono il processo inverso e danno un picco di corrente di segno opposto.
  • Per un sistema diffusivo ideale e reversibile (Randles-Sevcik):

I_{p}=\left(2{,}69\times 10^{5}\right)\cdot n^{3/2}\cdot A\cdot D^{1/2}\cdot C\cdot v^{1/2}

Equazione 8 - equazione di Randles-Sevcik

n = elettroni scambiati; A = area attiva (cm²); D = coefficiente di diffusione (cm²/s); C = concentrazione nel bulk (mol/cm³); v = velocità di scansione (V/s, 25 °C). La proporzionalità lineare fra Ip e v1/2 è il criterio per confermare che il processo è controllato dal trasporto di materia per diffusione.

2. Procedura sperimentale (§3.4, r.704-714)

!immagini/7454f0793d62db92121d98aa27815bc85d5aae9f16807d3f188d7feb1ee83463.jpg Figura 39 - schema della cella elettrochimica impiegata nelle misure voltammetriche · fig-039

  • Temperatura ambiente; potenziostato CHI660C (CH Instruments); cella standard a tre elettrodi (fig-039): WE in glassy carbon, RE Ag/AgCl, CE filo di platino.
  • Misure in fase omogenea, solvente THF; elettrolita di supporto TBAPF6 0,1 M.
  • CV del bianco sulla sola soluzione elettrolitica (verifica pulizia e assenza di specie elettroattive interferenti nella finestra di potenziale). Poi soluzioni polimeriche a concentrazione fissa 10 mg/mL.
  • Degasaggio con gorgogliamento di azoto per rimuovere l'ossigeno disciolto (si ridurrebbe al catodo); poi il flusso viene rimosso dalla soluzione (evita perturbazioni meccaniche) e mantenuto solo come battente.
  • Scansioni di base per l'identificazione dei processi redox a 0,05 V/s; poi variazione delle velocità (0.05, 0.1, 0.5 e 1.0 V/s) per l'influenza della cinetica di trasferimento.
  • A fine misura di ogni campione si aggiunge ferrocene direttamente nella cella come standard redox interno (i potenziali misurati sono relativi e dipendono dal riferimento): la coppia reversibile Fc/Fc+ di potenziale noto calibra l'asse e riferisce gli onset alla scala assoluta delle energie nel vuoto, necessario per calcolare HOMO e LUMO (rif. 50-cardona-2011).

3. Scopo nel progetto (§4.4.1, r.1109-1115)

  • Verificare l'elettroattività derivante dall'estesa coniugazione π e stimare un band gap elettrochimico compatibile con i semiconduttori.
  • Identificare i processi redox dello scheletro e i potenziali di onset per il gap.
  • Indagare la cinetica dei processi e il grado di reversibilità; profilo voltammetrico e andamento delle correnti in scansioni multiple consecutive distinguono un sistema che tollera il trasferimento ciclico di carica da eventuali degradazioni elettrochimiche.
  • Funge da ponte tra validazione dell'architettura elettronica dei bottle brush e stabilità operazionale.

4. Metodologia di analisi (§4.4.2, r.1120-1172)

Parte qualitativa — forma delle curve. I materiali coniugati subiscono due processi: estrazione di elettroni (ossidazione, p-doping) e iniezione di elettroni (riduzione, n-doping). La forma dei picchi e la presenza dei picchi di ritorno indicano reversibilità e stabilità sotto stress elettrochimico.

Parte quantitativa — potenziali di onset, punto di partenza per il gap.

Esempio di elaborazione: voltammogramma di 3.2c a 0,05 V/s in THF con TBAPF6 0,1 M (fig-069), ripetuto sistematicamente su tutti i voltammogrammi.

!immagini/6afc0d601841f25b1c02e27bc6b1616abc101c5f1ceaa0ba9d30ed0f965ebed2.jpg Figura 69 - voltammogramma ciclico del polimero 3.2.c registrato a una velocità di scansione di 0,05 V/s in soluzione di THF con TBAPF6 0,1 M · fig-069

Reversibilità

  • In un sistema reversibile: picco diretto e picco di ritorno con rapporto Ipa/Ipc prossimo all'unità.
  • Nei polimeri della tesi si osserva sistematicamente un marcato discostamento: ampie onde faradiche in andata senza picco di ritorno simmetrico → irreversibilità.
  • A velocità crescenti (fig-070, 3.2c): totale assenza di onde di scarica simmetriche al ritorno e progressiva diminuzione dell'intensità delle onde faradiche → la specie generata è intrinsecamente instabile (degradazione e perdita di materiale elettroattivo all'interfaccia).

!immagini/5491a0651d00b47f168b335586b4f144e1b25834ff74113ff26b1d3a2c8cc991.jpg Figura 70 - voltammogramma ciclico del polimero 3.2.c registrato a diverse velocità di scansione · fig-070

  • Interpretazione: il trasferimento elettronico è accoppiato a fenomeni secondari che consumano/alterano irreversibilmente la specie generata. Scansione anodica = p-doping: formazione di specie positive (polaroni, radicali cationi); catodica = n-doping: specie radical-anioniche. La mancanza delle onde di ritorno indica che queste macromolecole cariche sono altamente instabili nelle condizioni usate.
  • Un meccanismo ideale E (puro trasferimento di elettroni) darebbe processo inverso simmetrico; nei materiali è invece un meccanismo EC (elettrochimico-chimico): il trasferimento iniziale (fase E) genera un intermedio reattivo consumato da una reazione chimica secondaria (fase C) prima di poter restituire/accettare l'elettrone. Tipiche degradazioni irreversibili: accoppiamento tra catene radicaliche, sovraossidazione, reazioni parassite. Il materiale non ripristina lo stato neutro iniziale (asimmetria dei cicli).

Potenziale di onset (metodo grafico delle tangenti, fig-069)

  • A causa dell'irreversibilità, i potenziali di picco (Ep) sono fortemente alterati dalla degradazione delle specie cariche e non sono affidabili per i livelli energetici. Il potenziale di onset approssima meglio la minima energia per innescare i primi trasferimenti elettronici, correlandosi ai limiti di banda.
  • Costruzione: (1) baseline — retta della sola corrente capacitiva (doppio strato) in un intervallo in cui il polimero è inerte, prima dell'avvio dei processi redox; (2) tangente al punto di massima pendenza del fronte di salita dell'onda (processo faradico di drogaggio); (3) l'intersezione delle due rette, proiettata sull'asse dei potenziali, dà il valore in Volt: onda anodica → Eonsetox; onda catodica → Eonsetred.
  • Il metodo esclude l'interferenza della corrente di fondo ed è riproducibile.

Calibrazione con il ferrocene

  • I valori sono relativi all'elettrodo Ag/AgCl e alle fluttuazioni solvente/elettrolita: serve calibrare l'asse. Il ferrocene (coppia Fc/Fc+ reversibile, stabile, potenziale ben noto) è il riferimento classico in solventi organici.
  • L'energia associata all'ossidazione del ferrocene è convenzionalmente posta a −4,8 eV rispetto al livello del vuoto.
  • Voltammogramma del ferrocene a fine analisi → potenziale di semionda sperimentale → sottratto a tutti i potenziali (scala Fc/Fc+).

Livelli energetici e bandgap


E_{HOMO}=-\left(E_{onset}^{ox}+4{,}8\right) eV E_{LUMO}=-\left(E_{onset}^{red}+4{,}8\right) eV

Equazione 11 - calcolo dei livelli energetici HOMO e LUMO


E_{g}=E_{LUMO}-E_{HOMO}

Equazione 12 - bandgap elettrochimico

5. Risultati sui copolimeri lineari (§4.4.3, r.1177-1227)

Scopo: capire come la frazione reale di DPP modula l'architettura energetica dello scheletro coniugato puro, senza gli effetti sterici/conformazionali dell'innesto.

Tabella 13 - dati voltammetrici dei copolimeri sintetizzati

Polimero % reale DPP Eonsetox (V) Eonsetred (V) HOMO (eV) LUMO (eV) Bandgap (eV)
3a 25 0,238 -0,732 -5,038 -4,068 0,970
3b 32 0,054 -1,262 -4,854 -3,538 1,316
3c 35 0,0006 -1,372 -4,799 -3,428 1,371

Bandgap vs % DPP (fig-071)

  • All'aumentare del DPP si osserva un allargamento progressivo del bandgap: la variazione è governata dalla composizione stechiometrica effettiva.
  • La netta pendenza positiva della retta di interpolazione indica forte sensibilità alla composizione: incrementi modesti di DPP aumentano molto l'energia per le transizioni elettroniche. Lettura della tesi: l'unità DPP riduce la lunghezza di coniugazione effettiva, limitando la delocalizzazione π e aumentando la separazione HOMO-LUMO.
  • Dimostra la fattibilità di un controllo mirato del band gap calibrando il rapporto fra i due monomeri.

!immagini/6c7bd8393eb8c1a329f65b7fc74e5f338a866e514455c0122a43d13ca340ded5.jpg Figura 71 - correlazione tra bandgap elettrochimico e frazione reale di DPP nei copolimeri sintetizzati · fig-071

Potenziali di picco vs % DPP (fig-072)

  • Riduzione (n-doping): variazione più marcata. Da 25% DPP (Epc ≈ −1 V) a 32-35% il picco si sposta tra −1,6 V e −1,8 V: l'inserzione di elettroni diventa termodinamicamente più sfavorita, con sovratensioni maggiori per formare i radical-anioni.
  • Ossidazione (p-doping): impatto minore; Epa passa da ≈ 0,4 V (minor DPP) a ≈ 0,2/0,25 V per frazioni maggiori.
  • Effetto combinato: aumento della separazione tra i picchi con la % di DPP, coerente con l'aumento del bandgap.

!immagini/d7a3694f2d97dcaa84465aeed07d8d26adca6a8f8ed64f7ea2bf86943b918b66.jpg Figura 72 - correlazione tra Epicco e frazione reale di DPP nei copolimeri sintetizzati · fig-072

Potenziali di onset vs % DPP (fig-073)

  • Eonsetred (LUMO): da ≈ −0,75 V (basso DPP) a ≈ −1,4 V (frazioni maggiori).
  • Eonsetox (HOMO): da ≈ 0,25 V a quasi 0 V (lieve traslazione).
  • La progressiva separazione fra i due onset conferma l'allargamento del bandgap: la composizione agisce sistematicamente sui livelli di frontiera.

!immagini/b2931ebedd31df7df3b344c25fcbb4a64aceb7b356181adecf39363e49dcb0fe.jpg Figura 73 - correlazione tra Eonset e frazione reale di DPP nei copolimeri sintetizzati · fig-073

Confronto con P3HT (r.1223-1227)

  • Il P3HT omopolimero è molto elettron-ricco: ossidazione (p-doping) a potenziali accessibili, nessun contributo faradico significativo per la riduzione (n-doping) nella consueta finestra dei solventi organici.
  • Nei copolimeri il DPP, forte porzione elettron-attrattrice in un'architettura D-A, stabilizza il LUMO: rende favorevole l'iniezione di elettroni e giustifica le onde catodiche assenti nel P3HT. L'abbassamento del LUMO, con la modulazione dell'HOMO ad opera dei segmenti di 3HT, determina il restringimento del bandgap rispetto all'omopolimero.
  • Conclusione della tesi: la sistematicità con cui la composizione influenza la risposta termodinamica convalida l'approccio come strumento di ingegnerizzazione del materiale.

6. Effetto del design bottle brush (§4.4.4, r.1232-1251)

Tabella 14 - dati voltammetrici dei polimeri sintetizzati

Polimero Eonsetox (V) Eonsetred (V) HOMO (eV) LUMO (eV) Bandgap (eV)
3.1.b -0,183 -1,22 -4,617 -3,580 1,037
3.2.b -0,175 -1,273 -4,625 -3,527 1,098
3.3.b -0,17 -1,202 -4,630 -3,598 1,032
3.1.c -0,0259 -1,547 -4,774 -3,253 1,521
3.2.c -0,112 -1,531 -4,688 -3,269 1,419
3.3.c -0,321 -1,25 -4,479 -3,550 0,929
  • I bottle brush mantengono l'elettroattività dello scheletro: i processi redox avvengono a carico del core DPP-3HT, mentre i rami alifatici fungono da matrice dielettrica circostante.
  • Le ingombranti catene laterali modificano HOMO e LUMO rispetto ai lineari, quindi l'ampiezza del bandgap. Attribuzione: effetti di ingombro sterico dei rami di PCL sul grado di coplanarità locale dello scheletro → estensione effettiva della delocalizzazione.
  • Bandgap dei bottle brush in 0,929-1,521 eV: l'ingegnerizzazione con PCL «non compromette le spiccate potenzialità optoelettroniche».
  • Il confronto con i lineari nel testo rimanda a «paragrafo XX (XX)», segnaposto non risolto (difetti-noti).

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