8-羥基喹啉（8-HQ）是一種含氮雜環(huán)化合物，分子結(jié)構(gòu)中同時存在酚羥基（-OH）和吡啶環(huán)，這兩種基團的電子效應(yīng)與共軛作用賦予其獨特的氧化還原活性，使其在電化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出豐富的應(yīng)用潛力。

一、氧化還原性質(zhì)：分子結(jié)構(gòu)與電子轉(zhuǎn)移特性

8-羥基喹啉的氧化還原行為主要源于酚羥基的氧化與吡啶環(huán)的還原，其電子轉(zhuǎn)移過程受分子共軛體系、取代基及環(huán)境（如 pH 值、溶劑極性）影響顯著。

酚羥基的氧化反應(yīng)：酚羥基中的氧原子具有孤對電子，易失去電子發(fā)生氧化。在電化學(xué)體系中，8-羥基喹啉的酚羥基首先失去一個電子，形成半醌自由基中間體，該中間體具有一定的穩(wěn)定性（共軛體系分散單電子）；進一步失去電子并伴隨質(zhì)子轉(zhuǎn)移后，最終生成醌式結(jié)構(gòu)。這一氧化過程在循環(huán)伏安曲線中表現(xiàn)為一對氧化峰，峰電位隨溶液pH升高而負移（因質(zhì)子參與反應(yīng)），在中性條件下氧化峰電位通常位于0.6-0.8 V（vs. SCE）。

吡啶環(huán)的還原反應(yīng)：吡啶環(huán)中的氮原子具有吸電子性，使其環(huán)上電子云密度較低，易接受電子發(fā)生還原。在較負的電位下（通常- 1.2至- 1.5 V，vs. SCE），吡啶環(huán)發(fā)生兩步單電子還原，生成二氫吡啶中間體，最終轉(zhuǎn)化為四氫吡啶衍生物。這一過程受溶劑影響較大，在極性非質(zhì)子溶劑（如乙腈）中，還原峰形更尖銳，電子轉(zhuǎn)移可逆性更高；而在質(zhì)子性溶劑（如水）中，質(zhì)子易與還原中間體結(jié)合，導(dǎo)致峰電位正移且峰形展寬。

金屬配合物的氧化還原調(diào)控：8-羥基喹啉是典型的螯合配體，可與多種金屬離子（如 Cu²⁺、Al³⁺、Zn²⁺）形成穩(wěn)定的五元環(huán)配合物（如8-羥基喹啉銅、8-羥基喹啉鋁）。配合物的形成會改變分子的電子云分布：金屬離子與酚羥基氧、吡啶環(huán)氮配位后，酚羥基的氧化電位升高（金屬離子的吸電子效應(yīng)增強），而吡啶環(huán)的還原電位降低（配位后環(huán)上電子云密度進一步下降），這種調(diào)控作用使其氧化還原性質(zhì)可通過金屬離子種類及配位數(shù)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

二、在電化學(xué)中的應(yīng)用：從傳感器到能量存儲

8-羥基喹啉及其衍生物的氧化還原活性使其在電化學(xué)傳感器、電催化、電池材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

電化學(xué)傳感器：選擇性識別與檢測

基于8-羥基喹啉對金屬離子的高選擇性螯合能力，其修飾電極可用于重金屬離子的電化學(xué)檢測，例如，將它通過共價鍵固定在玻碳電極表面后，當(dāng)溶液中存在 Cu²⁺時，二者形成穩(wěn)定配合物，導(dǎo)致其氧化峰電流降低，通過峰電流變化可實現(xiàn)對 Cu²⁺的定量分析，檢測限可達 10⁻⁸ mol/L。此外，8-羥基喹啉的氧化產(chǎn)物（醌式結(jié)構(gòu)）可與生物分子（如氨基酸、蛋白質(zhì)）發(fā)生特異性反應(yīng)，基于此構(gòu)建的傳感器可用于生物標(biāo)志物檢測，如通過監(jiān)測氧化峰電位變化實現(xiàn)對酪氨酸的高靈敏分析。

電催化：促進小分子轉(zhuǎn)化

8-HQ 及其金屬配合物可作為電催化劑，加速氧氣還原、水分解等反應(yīng)。例如，8 - 羥基喹啉銅配合物（CuQ₂）對氧氣還原反應(yīng)（ORR）具有優(yōu)異的催化活性：Cu²⁺與 8-HQ 的配位結(jié)構(gòu)為 ORR 提供了活性位點，通過 Cu²⁺/Cu⁺的價態(tài)循環(huán)傳遞電子，將 O₂高效還原為 H₂O₂或 H₂O，其催化效率接近商業(yè) Pt/C 催化劑，且成本更低，穩(wěn)定性更好（在堿性條件下循環(huán) 1000 次后活性保持率達 85% 以上），可用于燃料電池陰極或金屬 - 空氣電池的催化層。

電池材料：提升能量存儲性能

在鋰離子電池中，8-羥基喹啉衍生物可作為有機電極材料，通過醌/酚羥基的可逆氧化還原實現(xiàn)鋰離子的嵌入與脫嵌，例如，將其與苯環(huán)共軛形成的聚合物（如聚8-羥基喹啉）作為正極材料時，其理論比容量可達 280 mAh/g，且循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異（500次循環(huán)后容量保持率為 80%），相比傳統(tǒng)無機電極材料更具環(huán)境友好性。

腐蝕防護：電化學(xué)緩蝕作用

8-羥基喹啉可通過吸附在金屬表面（如銅、鋁）形成保護膜，其分子中的氮、氧原子與金屬表面原子配位，阻礙金屬的氧化溶解。在電化學(xué)測試中，添加8-羥基喹啉的腐蝕體系中，金屬的陽極溶解電流顯著降低，緩蝕效率可達 90% 以上，尤其在酸性環(huán)境中對銅的緩蝕效果突出，其作用機制與分子在金屬表面的電化學(xué)吸附及氧化還原惰性有關(guān)。

三、總結(jié)與展望

8-羥基喹啉的氧化還原性質(zhì)源于其分子內(nèi)酚羥基與吡啶環(huán)的協(xié)同作用，這種特性使其在電化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出多維度應(yīng)用價值。未來，通過分子設(shè)計（如引入電子給體 / 受體取代基）調(diào)控其氧化還原電位，或與納米材料復(fù)合（如碳納米管、金屬氧化物）提升電子轉(zhuǎn)移效率，有望進一步拓展其在新型傳感器、高效電催化劑及可持續(xù)能源存儲器件中的應(yīng)用，為電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供更多可能性。

本文來源于黃驊市信諾立興精細化工股份有限公司官網(wǎng) http://www.gdctc.cn/