Guerra, Renan Barrach, 1988, Formiga, André Luiz Barboza, 1978, Patrocinio, Antonio Otavio de Toledo, Ângelo, Antonio Carlos Dias, Barros, Wdeson Pereira, Sousa Filho, Paulo Cesar de, Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, and UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Orientador: Andre Luiz Barboza Formiga Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química Resumo: A busca por energias alternativas e livres de carbono é agora imprescindível para o desenvolvimento sustentável, e o uso da energia solar aparece como uma das alternativas mais promissoras através de células fotoeletroquímicas. Para tirar o máximo proveito dessa abundante fonte de energia, foram desenvolvidos dispositivos que podem realizar a chamada "fotossíntese artificial", para converter energia solar em energia química na forma de moléculas de hidrogênio, H2, que podem ser armazenadas e transportadas. Neste sentido, esta tese descreve o uso de complexos de rutênio(II) e cobre(II) como catalisadores para a reação de oxidação da água. Em particular, são descritas a síntese e caracterização do complexo de rutênio mononuclear [Ru(H2dimpy)(bpy)OH2](PF6)2, que contém o ligante 2,6-bis(1H-imidazol-2-il)piridina (H2dimpy). Este ligante possui 2 prótons dissociáveis, cujas desprotonações ocorrem a partir de aproximadamente pH 9,5 (pKa1) e 11,3 (pKa2), causando uma grande queda no par redox RuIII/RuII de 885 mV de pH 1 a pH 13. Mesmo em meio ácido (pH = 1), quando os grupos imidazóis estão protonados, o complexo apresenta um baixo potencial para o par redox RuIII/RuII (0.61 V vs Ag/AgCl). Devido à alta complexidade do sistema que envolve múltiplas transferências de prótons e elétrons acoplados, além da oxidação do ligante, um complexo de rutênio análogo, [Ru(Me2dimpy)(bpy)OH2](PF6)2, foi preparado para auxiliar no entendimento do papel da desprotonação dos grupos imidazóis no comportamento eletroquímico e fotocatalítico. [Ru(Me2dimpy)(bpy)OH2](PF6)2 foi sintetizado utilizando o ligante 2,6-Bis(1-metil-1H-imidazol-2-il)piridina (Me2dimpy), preparado pela metilação do ligante H2dimpy. Resultados de fotocatálise em pH = 7 mostraram que o complexo contendo o ligante H2dimpy demonstra melhor desempenho fotocatalítico (TOF 7.09 s¿1 e TON 10632) quando comparado ao complexo contendo o ligante mais elétron doador Me2dimpy (TOF 5.88 s¿1 e TON 8616), nas condições otimizadas. Além disso, foram estudados complexos de cobre(II) contendo uma classe de ligantes 2-(1H-imidazol-2-il)heteroaril. O uso de metais abundantes tais como cobre, ferro e níquel são cada vez mais atrativos, apresentando-se como alternativas que visam tornar factível a aplicação desses catalisadores do ponto de vista econômico. Aqui são mostrados os resultados preliminares para estes complexos de cobre com uma classe de ligantes que foi projetada para realizar um ajuste fino das propriedades eletrônicas e eletroquímicas, visando melhorar o desempenho catalítico. Um novo complexo, [(Himpa)Cu(OH2)2]2+, apresentou melhores resultados catalíticos em pH 12 quando comparado a estruturas análogas relatadas na literatura, com uma corrente catalítica "onset" de aproximadamente 1,3 V. Adicionalmente, novas informações sobre o sistema [(bpy)Cu(µ-OH)]22+ são reportadas. Nossos resultados sugerem que o acetato pode ter um papel importante na formação da espécie catalítica ativa, sendo esta informação valiosa para o planejamento da próxima geração de catalisadores a base de cobre. Por último, a síntese de nanopartículas de rutênio(0) incorporadas em TiO2 é descrita, assim como a síntese do composto orgânico 2-fenil-4-(1-napftil)quinolínico triflato, QuPh+¿NA(OTf¿), que foi utilizado como fotossensitizador. O sistema RuNPs@TiO2 foi avaliado como catalisador na reação de evolução de hidrogênio fotocatalítica em pH = 7, utilizando o fotossensitizador QuPh+¿NA e o doador sacrificial de elétrons TEOA, e mostrou boa resposta fotocatalítica e estabilidade, com um TOF de 6 µmolh¿1 e 60 horas de medição até a desativação Abstract: The search for alternative carbon-free energy is now imperative for sustainable development. The use of solar energy appears as one of the most promising alternatives through photoelectrochemical cells. To take full advantage of this abundant source of energy, devices that can perform the so-called "artificial photosynthesis" have been developed in order to convert solar energy into chemical energy in the form of hydrogen molecules, H2, which can be stored and transported. Motivated by this scenario, this thesis describes the use of molecular ruthenium(II) and copper(II) complexes as water oxidation catalysts (mol-WOC). In particular, this thesis first describes the synthesis and characterization of the mononuclear ruthenium complex [Ru(H2dimpy)(bpy)OH2](PF6)2, featuring the 2,6-bis(1H-imidazole-2-yl)pyridine (H2dimpy) ligand. This ligand has two dissociable protons, whose deprotonations occurs starting at approximately 9.5 (pKa1) and 11.3 (pKa2), causing a large drop on the RuIII/RuII redox of 885 mV from pH 1 to pH 13. Even in acid media (pH = 1), when the imidazole groups are protonated, the complex shows a very low RuIII/RuII redox couple (0.61 V vs Ag/AgCl). Due to the high complexity of the system, involving multiple proton-coupled electron transfers and ligand oxidation, an analogous ruthenium complex, [Ru(Me2dimpy)(bpy)OH2](PF6)2, was prepared to help understanding the role of imidazole deprotonation on the electrochemical behavior and catalysis. Photocatalytic results towards water oxidation in pH = 7 showed that the complex possessing the H2dimpy ligand exhibits better photocatalytic performance (TOF 7.09 s¿1 and TON 10632) when compared to the complex with the more electron-donating Me2dimpy ligand (TOF 5.88 s¿1 and TON 8616) in optimal conditions. Furthermore, mononuclear copper complexes containing a class of 2-(1H-imidazole-2-yl)heteroaryl ligands were studied. The use of earth-abundant metals such as copper, iron, and nickel is currently of great interest in order to make the application of these catalysts economically viable. Herein are shown preliminary results of the copper complex with a class of ligands that were designed to perform fine adjustment of electronic and electrochemical properties, aiming the improvement of the catalytic performance. A new complex, [(Himpa)Cu(OH2)2]2+ showed better catalytic results in pH 12 when compared to analogous structures reported in the literature, with an onset catalytic current of c.a. 1.3 V. Furthermore, new insights on the [(bpy)Cu(µ-OH)]22+ system, that was first reported to work as a water oxidation catalyst in 2012, is reported. The results reveal that the acetate may play an important role in the active catalytic species, and it is expected that this information can be useful in the improvement of the [(bpy)Cu(µ-OH)]22+ system and in the synthesis of new Cu-based catalysts molecules. Additionally, the synthesis of ruthenium(0) nanoparticles (RuNPs) incorporated onto TiO2 is described, as well as the synthesis of the organic photosensitizer 2-Phenyl-4-(1-naphthyl)quinolinium triflate, QuPh+¿NA(OTf¿). The RuNPs@TiO2 system using the QuPh+¿NA metal-free photosensitizer and TEOA as a sacrificial electron donor was tested for photocatalytic hydrogen evolution reaction at pH = 7, showing good photocatalytic activity and stability, with a TOF of 6 µmol?h¿1 and 60 hours measurement until deactivation Doutorado Química Inorgânica Doutor em Ciências CNPQ 142440/2015-9 FAPESP 2013/22127-2