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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.46.2007.tde-26042007-112045
Documento
Autor
Nome completo
André Sarto Polo
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2007
Orientador
Banca examinadora
Iha, Neyde Yukie Murakami (Presidente)
Andrade, Adnei Melges de
Batista, Alzir Azevedo
Silva, Roberto Santana da
Tfouni, Elia
Título em português
Sistemas químicos integrados via complexos de rênio(I) e rutênio(II) na conversão de energia
Palavras-chave em português
Células solares
Conservação de energia
Dispositivos moleculares
Energias renováveis
Fotossensores
Resumo em português
O trabalho desenvolvido teve como foco dois sistemas químicos integrados: células solares sensibilizadas por corantes, Dye-Cells®, e fotossensores baseados em compostos de rênio(I). Novos compostos de rutênio(II) foram preparados, caracterizados e investigados como corantes sensibilizadores. Os resultados obtidos com as células solares sensibilizadas pelo cis-[(H3BCN)2Ru(dcbH2)2], H3BCN- = cianoboroidreto, dcbH2 = ácido-4,4'-dicarboxílico-2,2'-bipiridina, são: Jsc = 8,0 mA.cm-2, Voc = 0,66 V, Pmax = 2,7 mA.cm-2 e ff = 0,51. Esse dispositivo atingiu eficiência de conversão de fótons incidentes em corrente de até 23%. Os compostos cis-[Ru(dobH2)2(L)2]0/2+, dobH2 = ácido-4,4'diidroxâmico-2,2'-bipiridina e L = Cl-, H2O ou NCS-, foram preparados usando o ácido hidroxâmico como um novo grupo de ancoramento. Os desempenhos das células solares são: cis-[(Cl)2Ru(dobH2)2]: Jsc = 4,6 mA.cm-2, Voc = 0,60 V, Pmax = 1,4 mW.cm-2, ff = 0,51; cis-[Ru(dobH2)2(H2O)2]2+: Jsc = 4,4 mA.cm-2, Voc = 0,61 V, Pmax = 1,6 mW.cm-2, ff = 0,59; cis-[(SCN)2Ru(dobH2)2]: Jsc = 4,6 mA.cm-2, Voc = 0,71 V, Pmax = 1,5 mW.cm-2, ff = 0,46. A similaridade dos valores de Jsc sugere que o grupo de ancoramento pode estar limitando o processo de injeção de carga na banda de condução do semicondutor. Frutos distintos dos já investigados são utilizados como fontes de antocianinas empregadas como sensibilizadores. Esses corantes naturais são capazes de adsorver à superfície do semicondutor e realizar a conversão de luz em eletricidade. Foram determinados eficiência de conversão de fóton incidente em corrente de até 19% e valores de Jsc = 7,2 mA.cm-2, Voc = 0,65 V, Pmax = 2,0 mW.cm-2 e ff = 0,55. O segundo sistema químico integrado investigado baseia-se em fotossensores com fac-[Re(CO)3(NN)(stpy)]+, NN = 2,2'-bipiridina, bpy, 4,4'-dimetil-2,2'-bipiridina, Me2bpy, ou dipirido[3,2-a:2',3'-c]fenazina, dppz, stpy = trans ou cis-4-estirilpiridina. A reação de isomerização trans-cis do ligante coordenado pode ser acompanhada de duas formas distintas por espectrofotometria e por ressonância magnética nuclear, 1H RMN. Os rendimentos quânticos aparentes, Φap, determinados para irradiação em 404 nm, por espectrofotometria, são: fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ Φap = 0,19 ± 0,02; fac-[Re(CO)3(Me2bpy)(trans-stpy)]+ Φap = 0,18 ± 0,02; fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-stpy)]+ Φap = 0,30 ± 0,03. Enquanto os valores reais determinados por 1H RMN, Φreal, são: fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ Φreal = 0,48 ± 0,03; fac-[Re(CO)3(Me2bpy)(trans-stpy)]+ Φreal = 0,31 ± 0,07; fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-stpy)]+ Φreal = 0,48 ± 0,06. Os valores determinados por 1H RMN são reais uma vez que os sinais do produto e do reagente são detectados em regiões distintas, o que não acontece no acompanhamento por espectrofotometria. A isomerização trans-cis do composto fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ também é observada em poli(metacrilato) de metila, que foi o meio rígido utilizado visando o desenvolvimento de dispositivos. O isômero fac-[Re(CO)3(bpy)(cis-stpy)]+ é luminescente e a sua emissão é investigada em diferentes meios analisando os deslocamentos hipsocrômicos com o aumento da rigidez do meio.
Título em inglês
Chemical integrated systems via rhenium and ruthenium complexes on energy conversion
Palavras-chave em inglês
Energy Conversion
Molecular devices
Photosensors
Renewable energy
Solar cells
Resumo em inglês
The focus of this work is on two chemical integrated systems: dye-sensitized solar cells, Dye-Cells®, and photosensors based on rhenium(I) compounds. Novel ruthenium(II) compounds were synthesized, characterized and investigated as dye-sensitizers. The results of solar cells sensitized by cis-[(H3BCN)2Ru(dcbH2)2], H3BCN- = cyanoborohydride, dcbH2 = acid-4,4'-dicarboxylic-2,2'-bipyridine, are: Jsc = 8.0 mA.cm-2, Voc = 0.66 V, Pmax = 2.7 mA.cm-2 and ff = 0.51. Incident photon-to-current efficiency of up to 23% is achieved by this device. The cis-[Ru(dobH2)2(L)2]0/2+ compounds, dobH2 = acid-4,4'-dihydroxamic-2,2'-bipyridine, L = Cl-, H2O or NCS-, were synthesized using hydroxamic acid as a new anchoring group. The performance of these dye-sensitized solar cells are: cis-[(Cl)2Ru(dobH2)2]: Jsc = 4.6 mA.cm-2, Voc = 0.60 V, Pmax = 1.4 mW.cm-2, ff = 0.51; cis-[Ru(dobH2)2(H2O)2]2+: Jsc = 4.4 mA.cm-2, Voc = 0.61 V, Pmax = 1.6 mW.cm-2, ff = 0.59; cis-[(SCN)2Ru(dobH2)2]: Jsc = 4.6 mA.cm-2, Voc = 0.71 V, Pmax = 1.5 mW.cm-2, ff = 0.46. The similarity between Jsc values suggests that the anchoring group is limiting the electron injection into the semiconductor conducting band. Anthocyanins of several fruits were employed as sensitizers. These natural dyes are capable of adsorbing onto the semiconductor surface and promote the light-to-electricity conversion. Incident photon-to-current efficiency of up to 19% and values Jsc = 7.2 mA.cm-2, Voc = 0.65 V, Pmax = 2.0 mW.cm-2, ff = 0.55 were determined. The second chemical integrated system investigated is based on photosensors using fac-[Re(CO)3(NN)(stpy)]+, NN = 2,2'-bipyridine, bpy, 4,4'-dimethyl-2,2'-bipyridine, Me2 bpy, or dipyrido[3,2-a:2',3'-c]phenazine, dppz, stpy = trans or cis-4-styrylpyridine. The trans-cis isomerization of the coordinated ligand is followed by two distinct ways, spectrophotometry and nuclear magnetic resonance, 1H NMR. The apparent quantum yields, fiap, determined for irradiation at 404 nm by spectrophotometry are: fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ Φap = 0.19 ± 0.02; fac-[Re(CO)3(Me2bpy)(trans-stpy)]+ Φap = 0.18 ± 0.02; fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-stpy)]+ Φap = 0.30 ± 0.03. The real values, Φreal, determined by 1H NMR, are: fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ Φreal = 0.48 ± 0.03; fac-[Re(CO)3(Me2bpy)(trans-stpy)]+ Φreal = 0.31 ± 0.07; fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-stpy)]+ Φreal = 0.48 ± 0.06. The values determined by 1H NMR are real since the signals of the product and of the reactant are detected in distinct regions, which does not occur for the spectrophotometric method. The trans-cis isomerization of the compound fac-[Re(CO)3(bpy)(trans-stpy)]+ is also observed in poly(methyl)methacrilate, which was the rigid medium employed aiming the development of devices. The fac-[Re(CO)3(bpy)(cis-stpy)]+ isomer is luminescent and its emission is investigated in different media analyzing the hypsochromic shifts increasing the rigidity of the medium.
 
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Data de Publicação
2007-05-09
 
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