Esta dissertação de mestrado aborda dois estudos que foram desenvolvidos utilizando a técnica de microscopia FTIR (micro-FTIR): a reatividade do grafeno funcionalizado e a eletroquímica in-situ com micro-FTIR para avaliação de reações redox. A reatividade e a distribuição de cargas em materiais 2D, mais especificamente em folhas individuais de grafeno, têm sido alvo de muita investigação na última década. No entanto, ainda não é conhecido como elas se apresentam em grafeno com grandes áreas, uma vez que a maioria dos estudos utilizam áreas muito pequenas (~μm2). Neste estudo, investigou-se experimentalmente como um eletrodo formado por uma única folha de grafeno se comporta quando sua estrutura é alterada por funcionalização covalente. Utilizando microespectroscopia na região do infravermelho, avaliou-se a funcionalização de grafeno com unidades de ácido benzoico no grafeno ancorados eletroquimicamente. O mapeamento químico mostrou que a distribuição espacial dessas unidades não ocorre uniformemente, ao invés disso, existem pontos específicos de ancoramento. Por fim, observou-se que a funcionalização ocorre mais intensamente na borda da folha de grafeno, alterando as propriedades óticas e eletroquímicas deste material, reduzindo o ganho ótico proporcionado pelos plásmons e aumentando a resistência de transferência heterogênea de elétrons. Para o segundo capítulo dessa dissertação, aplicou-se a microespectroscopia FTIR multiplex ao estudo da mudança química de um eletrodo de ouro modificado com azul da prússia (AP). Para isso, observou-se que uma etapa limitante era a confecção de um porta-amostra que reduzisse a camada de eletrólito ao mínimo de forma que a água não mais absorvesse a radiação de forma majoritária. Logo, foi possível o estudo vibracional de vários pontos da superfície do eletrodo, observando-se a influência do potencial aplicado, onde tem-se uma grande dependência dos sinais referentes ao estiramento C≡N do AP com a condição de potencial imprimida no eletrodo. / This Masters dissertation approaches two studies developed using the FTIR microspectroscopy technique (micro-FTIR): the activity of graphene functionalized and the in-situ electrochemistry with micro-FTIR for the evaluation of redox reactions. Reactivity and charge distribution in 2D materials, especially in single graphene sheets, have been the focus of extensive investigation during the last decade. However, there is still no knowledge on how large-area graphene behaves, since most of the studies utilize too small areas (~μm2). In this study, we aim to investigate experimentally how an electrode composed of only one single sheet of graphene behaves when its structure is changed by covalent functionalization. Using infrared microspectroscopy, the electrochemically induced covalent functionalization of graphene with benzoic acid unities was evaluated. The chemical mapping showed that the spatial distribution of these unities does not occur uniformly, instead, there are specific anchoring points. Lastly, it was observed that the functionalization occurs more intensely on the edges of the graphene sheet and that the covalent, affecting its optical and electrochemical properties, reducing the optical gain provided by the plasmons and increasing the resistance of heterogeneous electron transfer. In the second chapter of this dissertation, multiplex FTIR microspectroscopy was applied to the study of the chemical changes of a gold electrode modified with Prussian blue (PB). It was observed that the limiting step for this type of analysis was the building of a sample holder that reduces the electrolyte layer to the minimum in a way that water did not absorb the radiation in majority. Therefore, a vibrational study of several points of the electrode surface was possible evaluating the influence of the applied potential, where there is a dependence of the signals related to the C≡N stretching mode from PB on the potential condition applied to the electrode.

Esta dissertação de mestrado aborda dois estudos que foram desenvolvidos utilizando a técnica de microscopia FTIR (micro-FTIR): a reatividade do grafeno funcionalizado e a eletroquímica in-situ com micro-FTIR para avaliação de reações redox. A reatividade e a distribuição de cargas em materiais 2D, mais especificamente em folhas individuais de grafeno, têm sido alvo de muita investigação na última década. No entanto, ainda não é conhecido como elas se apresentam em grafeno com grandes áreas, uma vez que a maioria dos estudos utilizam áreas muito pequenas (~μm2). Neste estudo, investigou-se experimentalmente como um eletrodo formado por uma única folha de grafeno se comporta quando sua estrutura é alterada por funcionalização covalente. Utilizando microespectroscopia na região do infravermelho, avaliou-se a funcionalização de grafeno com unidades de ácido benzoico no grafeno ancorados eletroquimicamente. O mapeamento químico mostrou que a distribuição espacial dessas unidades não ocorre uniformemente, ao invés disso, existem pontos específicos de ancoramento. Por fim, observou-se que a funcionalização ocorre mais intensamente na borda da folha de grafeno, alterando as propriedades óticas e eletroquímicas deste material, reduzindo o ganho ótico proporcionado pelos plásmons e aumentando a resistência de transferência heterogênea de elétrons. Para o segundo capítulo dessa dissertação, aplicou-se a microespectroscopia FTIR multiplex ao estudo da mudança química de um eletrodo de ouro modificado com azul da prússia (AP). Para isso, observou-se que uma etapa limitante era a confecção de um porta-amostra que reduzisse a camada de eletrólito ao mínimo de forma que a água não mais absorvesse a radiação de forma majoritária. Logo, foi possível o estudo vibracional de vários pontos da superfície do eletrodo, observando-se a influência do potencial aplicado, onde tem-se uma grande dependência dos sinais referentes ao estiramento C≡N do AP com a condição de potencial imprimida no eletrodo. / This Masters dissertation approaches two studies developed using the FTIR microspectroscopy technique (micro-FTIR): the activity of graphene functionalized and the in-situ electrochemistry with micro-FTIR for the evaluation of redox reactions. Reactivity and charge distribution in 2D materials, especially in single graphene sheets, have been the focus of extensive investigation during the last decade. However, there is still no knowledge on how large-area graphene behaves, since most of the studies utilize too small areas (~μm2). In this study, we aim to investigate experimentally how an electrode composed of only one single sheet of graphene behaves when its structure is changed by covalent functionalization. Using infrared microspectroscopy, the electrochemically induced covalent functionalization of graphene with benzoic acid unities was evaluated. The chemical mapping showed that the spatial distribution of these unities does not occur uniformly, instead, there are specific anchoring points. Lastly, it was observed that the functionalization occurs more intensely on the edges of the graphene sheet and that the covalent, affecting its optical and electrochemical properties, reducing the optical gain provided by the plasmons and increasing the resistance of heterogeneous electron transfer. In the second chapter of this dissertation, multiplex FTIR microspectroscopy was applied to the study of the chemical changes of a gold electrode modified with Prussian blue (PB). It was observed that the limiting step for this type of analysis was the building of a sample holder that reduces the electrolyte layer to the minimum in a way that water did not absorb the radiation in majority. Therefore, a vibrational study of several points of the electrode surface was possible evaluating the influence of the applied potential, where there is a dependence of the signals related to the C≡N stretching mode from PB on the potential condition applied to the electrode.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung von Ca-dotierten PrMnO3 (PCMO) als Katalysator für die (photo)elektrochemische Wasseroxidation. Im Fokus der Untersuchungen stehen die folgenden elementaren Schritte des Gesamtprozesses: i) Die optische Absorption in PCMO wird zunächst als Funktion der Ca-Dotierung und der Temperatur untersucht mit dem Ziel, den Einfluß von Korrelationseffekten auf die optischen Eigenschaften zu verstehen. Die präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die Bildung kleiner Polaronen im PCMO als Folge starker Korrelationswechselwirkungen in breites Absorptionsmaximum im Nah-Infrarot bis sichtbarem Energiebereich verursacht, welches im Rahmen eines Photonen-assistierten Polaronenhüpfprozesses und einer Anregung zwischen Jahn-Teller-aufgespaltenen Zuständen diskutiert wird. Weiterhin legt die Dotierungsabhängigkeit der Spektren nahe, dass O 2p und Mn 3d Hybridzustände die Fermienergie-nahe elektronische Struktur bestimmen, wobei der relative Anteil von O 2p mit der Ca-Dotierung variiert. ii) Der aktive Zustand von PCMO in Kontakt mit Wasser bzw. Wasserdampf wird mit Hilfe von Zyklovoltammetrie und in situ ‚environmental‘ Transmissionselektronenmikroskopie (ETEM) für verschiedene Dotierlevels untersucht. Die Ergebnisse beider Methoden ergeben, dass die katalysierte Wasseroxidation gemäß $2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 4 \text{H}^+$ mit einem Korrosionsprozess in Form einer Pr/Ca Verarmung und Amorphisierung der PCMO-Elektrode konkurriert. Die höchste katalytische Aktivität sowie Korrosionsstabilität werden im mittleren Dotierungsbereich gefunden. Auf Basis der in situ ETEM Ergebnisse wird außerdem gezeigt, dass durch Zufügen von Monosilan zu Wasserdampf-basierten Elektrolyten im ETEM eine Elektronenstrahl-induzierte Wasseroxidation an aktiven PCMO Oberflächen über die Sekundärreaktion $\text{SiH}_4+2\text{O}_2\rightarrow\text{SiO}_2+2\text{H}_2\text{O}$ nachgewiesen werden kann. Elektronenenergieverlustspektroskopie von PCMO vor und nach der Reaktion in Wasserdampf ergeben, dass der aktive Zustand von PCMO die Bildung und Ausheilung von Sauerstoffleerstellen im Rahmen einer Interkalation des bei der Wasseroxidation freiwerdenden Sauerstoffs beinhaltet. Die Rolle des Elektronenstrahls als Triebkraft für die Wasseroxidation im ETEM wird mithilfe von Elektronenholographie und elektrischen Experimenten sowie theoretischer Modellierung basierend auf Sekundärelektronenemissionen als ein positives Elektronenstrahl-induziertes elektrisches Potential identifiziert.

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