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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.46.2015.tde-22092015-084445
Document
Author
Full name
Tiago Araujo Matias
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2015
Supervisor
Committee
Araki, Koiti (President)
Bonacin, Juliano Alves
Ferreira, Ana Maria da Costa
Patrocinio, Antonio Otávio de Toledo
Silva, Denise de Oliveira
Title in Portuguese
Efeitos sinérgicos em polipiridinas de rutênio binucleares para reação de oxidação de água e eletrocatálise
Keywords in Portuguese
Complexos de rutênio
Eletrocatálise
Oxidação de água
PCET
Polipiridinas de rutênio
Processos multieletrônicos
Abstract in Portuguese
Complexos polipiridínicos de rutênio mononuclares vem sendo ativamente estudados como catalisadores da reação de oxidação de água a oxigênio, mas o complexo ativado dos catalisadores mais eficientes envolve a formação de um dímero, indicando a importância da estrutura binuclear para ativação dos mesmos. Assim, nesta tese propomos o estudo dos possíveis efeitos sinérgicos em complexos binucleares de rutênio polipiridinas angulares para ativação das espécies de alta valência do tipo RuV=O e RuIV=O. Assim, foram preparadas séries de complexos polipiridínicos de rutênio empregando os ligantes tridentados derivados de terpiridinas e bidentados tipo bipiridina na forma cloro complexos e aqua complexos mono e binucleares, capazes de atuar como precursores das espécies ativas de alta valência por meio de reações de transferência de elétrons acoplado a transferência de prótons (PCET). Os complexos [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 e [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 (phtpy= 4'-fenil-2,2':6',2''-terpiridina, bpy= 2,2´-bipiriridina, Clphen= 5-cloro-1,10-fenantrolina e tpy2ph= 1,3-bis(4'-2,2':6',2''-terpiridil)benzeno) e seus aqua complexos foram sintetizados e caracterizados por técnicas espectroscópicas e eletroquímicas. Os complexos [RuCl(bpy)phtpy](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 e [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 apresentam apenas reações de transferência de elétrons onde o estado de oxidação máximo do íon rutênio é 3+. Todavia, os respectivos aqua complexos [Ru(H2O)(bpy)(phtpy)](PF6)2, [Ru2(H2O)2(bpy)(tpy2ph)](PF6)4 e [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)4 podem ser oxidados de modo a gerar complexos de alta valência com íon rutênio nos estados de oxidação 4+ e 5+ via reação de transferência eletrônica acoplada a transferência de prótons (PCET). Os complexos de RuIV=O são gerados em potenciais relativamente baixos e não apresentaram atividade eletrocatalítica significativa, enquanto que as espécies RuV=O ([RuV(O)(bpy)(phtpy)]3+ e [Ru2V(O)2(bpy)2(tpy2ph)]6+) atuam como catalisadores eficientes para a reação de oxidação da água a oxigênio. Os valores de TOF para os complexos binuclear (0,97 s-1) é cerca de três vezes maior que para o complexo mononuclear (0,32 s-1), confirmando a presença de efeitos sinérgicos que aceleram a liberação de oxigênio no complexo binuclear. As propriedades eletrocatalíticas dos complexos polipiridínicos de rutênio de alta valência foram transferidos para a superfície de eletrodos via eletropolimerização redutiva do complexo [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](TfO)4. Neste caso foram observadas a geração eletroquímica de espécies contendo o íon rutênio nos estados de oxidação 2+, 4+ e 5+, enquanto que a espécie no estado 3+ aparentemente não é estável e sofre desproporcionamento. O eletrodo modificado preservou a alta atividade eletrocatalítica do aqua complexo binuclear para a reação de oxidação da água (TOF de 0,80 s-1) e também para a oxidação de álcool benzílico a benzaldeído, com kRuIV= 14,70 L·mol-1 s-1 demonstrando o elevado potencial do material para a oxidação de substratos orgânicos.
Title in English
Synergic effects in dinuclear ruthenium polypyridyl for water oxidation reaction and electrocatalysis
Keywords in English
Electrocatalysis
Multiple electron transfer processes
PCET
Ruthenium complexes
Ruthenium polypyridynes
Water oxidation
Abstract in English
Mononuclear ruthenium polypyridyl complexes have been studied as catalysts of oxygen evolution in water oxidation reaction, but the activated complex of most efficient catalysts assume the formation of dimers indicating the importance of the binuclear structure for their activation. Thereby, in this thesis we propose the study of possible synergistic effects in binuclear ruthenium polypyridyl complexes in order to activate species with high valence as RuV=O and RuIV=O for multi-electronic catalytic oxidation reactions. For this purpose, it was prepared a series of ruthenium polyppyridyl complexes using tridentate ligands based in terpyridine and bidentate bipyridine generating binuclear chloride complexes and aqua complexes which are able to act as precursors of the respective high valence active species generated by proton coupled electron transfer (PCET) reactions. The [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6) and [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 complexes (phtpy= 4'-phenyl-2,2':6',2''-terpyridine, bpy= 2,2´-bipyridine and tpy2ph= 1,3-bis(4'-2,2':6',2''-terpyridin-4-yl)benzene) and their respective aqua complexes were synthetized and characterized by spectroscopic and electrochemical techniques. The chloro complexes [RuCl(bpy)(phtpy)](PF6), [Ru2Cl2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)2 and [Ru2Cl2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)2 (Clphen= 5-Chloro-1,10-phenanthroline) show only electron transfer reactions where the maximum oxidation state of the ruthenium ion is 3+. However, the respective aqua complexes [Ru(H2O)(bpy)(phtpy)](PF6)2, [Ru2(H2O)2(bpy)2(tpy2ph)](PF6)4 and [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](PF6)4 can be oxidized further by proton coupled electron transfer (PCET), generating high valence complexes where the ruthenium oxidation state can be 4+ and 5+. Complexes of RuIV=O are generated in relatively low potentials and do not presented significant electrocatalytic activity for oxidation of water to dioxygen, whereas the RuV=O species ([RuV(O)(bpy)(phtpy)]3+ and [Ru2V(O)2(bpy)2(tpy2ph)]6+) showed to be efficient catalysts for the reaction of water oxidation. The values of TOF for the binuclear complexes (0,97 s-1) were about three times larger than for the mononuclear complex (0,32 s-1), confirming the presence of synergistic effects accelerating the formation and release of oxygen by the binuclear complex. The electrocatalytic properties of high valence ruthenium polypyridyl complexes were transferred to electrodes surface by reductive electropolymerization of the [Ru2(H2O)2(Clphen)2(tpy2ph)](TfO)4 complex. In this case the electrochemical generation of ruthenium 2+, 4+ and 5+ species were observed whereas the 3+ species was not stable and disproportionated. The modified electrodes preserved the high electrocatalytic activity of the binuclear aqua complexes for water oxidation reaction (TOF de 0,80 s-1), and also for oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde with kRuIV= 14,70 L mol-1 s-1 demonstrating the high catalytic efficiency for oxidation of organic substrates.
 
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Publishing Date
2015-11-13
 
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