Ativação de catalisadores para oxidação da água baseados em complexos binucleares de rutênio por grupos formadores de ligação de hidrogênio

• Processo: 18/04523-1
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de julho de 2018
• Data de Término da vigência: 20 de julho de 2022
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Química Inorgânica
• Pesquisador responsável: Koiti Araki
• Beneficiário: Kalil Cristhian Figueiredo Toledo
• Instituição Sede: Instituto de Química (IQ). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 13/24725-4 - Química supramolecular e nanotecnologia, AP.TEM
• Bolsa(s) vinculada(s): 19/27046-7 - Desenvolvimento, validação e aplicação em estudos mecanísticos, propriedades estruturais e eletrônicas de complexos metálicos usando uma cela espectroeletroquímica XPS em microjato, BE.EP.PD
• Assunto(s): Química de coordenação Catalisadores Rutênio Combustíveis
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Oxygen evolution reaction | Proton coupled electron transfer | Ruthenium | Química de Coordenação

Resumo

A produção sustentável de energia limpa, de fácil armazenamento e isenta de carbono que pode abranger as necessidades das gerações futuras constitui um dos desafios científicos mais importantes do século XXI. A conversão de energia solar em energia elétrica e especialmente em energia química utilizando células fotoeletroquímicas e sistemas fotossintéticos artificiais, particularmente a reação de fotodecomposição da água em H2 e O2 é uma possibilidade. Neste contexto, a reação de evolução de oxigênio é uma reação tetraeletrônica e tetraprotônica que continua limitando a eficiência das células a combustível e de sistemas eficientes de fotodecomposição da água e a produção de combustível solar. De fato, ainda não foram encontrados catalisadores que atendam as necessidades de estabilidade e de atividade catalítica, ou seja estratégias inovadoras precisam ser desenvolvidas para melhorar a compreensão do mecanismo de reação, assim possibilitando diminuir o elevado sobrepotencial associado a formação de O2, viabilizando o armazenamento de energia solar na forma de energia química limpa. Dentre os diversos materiais estudados, complexos de rutênio são alternativas promissoras como catalisadores para a oxidação da água. Nos últimos anos, complexos mononucleares vêm sendo explorados intensamente, mas foi demonstrado que mesmo nesses casos o mecanismo envolve a formação de um complexo ativado binuclear. Assim, neste projeto visamos a preparação de complexos de rutênio binucleares derivados do ligante 2,6-bis(2-pyridyl) benzodiimidazol, com estruturas ajustadas para que moléculas de água possam interagir com os dois sítios ativos, além da interação ser mediada por grupos tais como -OH e -CN, estrategicamente posicionados entre os complexos de rutênio, além de ligantes-pontes capazes de realizar reações de PCET e diminuir o potencial de formação das espécies de alta valência cataliticamente ativas, além de facilitar a formação do complexo ativado I2M, assim aumentando a eficiência catalítica. Finalmente, os catalizadores serão conectados com materiais capazes de promover reações de separação de cargas fotoinduzida tais como filmes de óxidos semicondutores como TiO2, ou fotossensibilizadores derivados do complexo [Ru(bpy)3]2+ de modo a realizar sistemas fotossintéticos para produção de combustível solar. (AU)

Publicações científicas

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(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

FRANCO, LEANDRO REZENDE; TOLEDO, KALIL CRISTHIAN FIGUEIREDO; MATIAS, TIAGO ARAUJO; ARAUJO, C. MOYSES; ARAKI, KOITI; COUTINHO, KALINE. Theoretical investigation of solvent and oxidation/deprotonation effects on the electronic structure of a mononuclear Ru-aqua-polypyridine complex in aqueous solution. Physical Chemistry Chemical Physics, v. 25, n. 36, p. 20-pg., 2023-09-20. (17/11631-2, 18/21489-1, 18/04523-1, 21/09016-3, 17/50129-0)

FRANCO, LEANDRO REZENDE; TOLEDO, KALIL CRISTHIAN FIGUEIREDO; MATIAS, TIAGO ARAUJO; ARAUJO, C. MOYSES; ARAKI, KOITI; COUTINHO, KALINE. Theoretical investigation of solvent and oxidation/deprotonation effects on the electronic structure of a mononuclear Ru-aqua-polypyridine complex in aqueous solution. Physical Chemistry Chemical Physics, v. N/A, p. 20-pg., 2023-08-22. (17/11631-2, 18/21489-1, 18/04523-1, 21/09016-3, 17/50129-0)

GONCALVES, JOSUE M.; MATIAS, TIAGO A.; TOLEDO, KALIL C. F.; ARAKI, KOITI; VANELDIK, R; HUBBARD, CD. Electrocatalytic materials design for oxygen evolution reaction. WATER OXIDATION CATALYSTS, v. 74, p. 63-pg., 2019-01-01. (18/04523-1, 13/24725-4)

SILVA, JOSE LUIS; UNGER, ISAAK; MATIAS, TIAGO ARAUJO; FRANCO, LEANDRO REZENDE; DAMAS, GIANE; COSTA, LUCIANO T.; TOLEDO, KALIL C. F.; ROCHA, TULIO C. R.; DE BRITO, ARNALDO NAVES; SAAK, CLARA-MAGDALENA; et al. X-ray Photoelectron Fingerprints of High-Valence Ruthenium-Oxo Complexes along the Oxidation Reaction Pathway in an Aqueous Environment. Journal of Physical Chemistry Letters, v. 10, n. 24, p. 7636-7643, DEC 19 2019. (18/04523-1, 17/11986-5, 13/24725-4, 17/11631-2, 17/50129-0)