Synthesis, properties and reactivity studies of hetero-dinuclear complexes of first-row transition metals
Creators: name: Budhija, Vishal
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Organometallische Chemie
subject: Synthese
subject: Katalyse
subject: Elektrochemie
subject: Catalysis
subject: Electrochemistry
subject: Synthesis
subject: Organometallic Chemistry
subject: 546 Anorganische Chemie

description: Mit steigendem globalen Energiebedarf wird die Notwendigkeit nachhaltiger Alternativen immer deutlicher. Erneuerbare Energiequellen wie Wind und Solar bieten umweltfreundliche Optionen, erfordern aber effektive Energiespeicherung aufgrund ihrer intermittierenden Verfügbarkeit. Elektrokatalyse und Materialwissenschaften wie die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und CO2-Reduktion haben transformatorisches Potenzial für grünere Energiequellen. Diese Fortschritte, inspiriert von bimetallischen Komplexen, bieten innovative Lösungen für eine nachhaltige Energiezukunft. Die Dissertation fokussiert auf die Synthese, Charakterisierung und katalytischen Eigenschaften porphyrinbasierter Komplexe und biomimetischer Katalysatoren. Der erste Abschnitt behandelt das Design von xanthenbasierten Porphyrinen mit verschiedenen Substituenten (Thiophenyl, Methoxyphenyl, Pyridyl) und ihre Polymerisationstechniken zu metallorganischen (MOFs) und kovalenten organischen Gerüsten (COFs). Auch die Immobilisierung homogener Katalysatoren auf Elektrodenoberflächen wird erforscht, inspiriert von dinuklearen Komplexen. Es wurden ein mononukleärer und ein dinukleärer Kupferporphyrinkomplex synthetisiert und elektrokatalytisch untersucht. Strukturanalysen und elektrochemische Studien enthüllen das Zusammenspiel der Faktoren, die die Leistung in der Sauerstoffreduktionsreaktion beeinflussen. Ein weiterer Abschnitt befasst sich mit mononuklearen Eisen- und hetero-dinuklearen Eisen-Kupfer-Komplexen, die vielversprechende Katalysatoren für die CO2-Reduktion zu CO darstellen. Diese Forschung zeigt verbesserte Reaktivität in der Wasserstoffentwicklungsreaktion und eröffnet Wege für Fortschritte in der Elektrokatalyse, inspiriert von natürlichen enzymatischen Prozessen.
description: As global energy demands rise, sustainable alternatives like wind and solar power offer eco-friendly options, yet their intermittency requires effective energy storage. Electrochemical processes like ORR, HER, and CO2 reduction hold promise for greener energy. Inspired by nature, bimetallic complexes and heterogeneous catalysis show potential for sustainable energy solutions. The thesis explores porphyrin-based complexes and biomimetic catalysts, focusing on synthesis, characterisation, and catalytic properties. It covers designing xanthene-based porphyrins with substituents, polymerisation techniques, and MOFs/COFs synthesis from charged porphyrins. The study also examines immobilising catalysts on electrodes, inspired by dinuclear complexes for versatile catalysis. Two copper porphyrin complexes, mononuclear and dinuclear, were synthesised and studied for electrocatalytic behaviour. Structural analyses and electrochemical studies influenced ORR performance. The final segment focuses on mononuclear iron and hetero-dinuclear iron-copper complexes for CO2 reduction and HER. The iron complex shows promise for CO2 reduction to CO, with enhanced activity due to hydrogen bonding. Both complexes improve HER reactivity, prompting ongoing research for optimised performance and reaction mechanisms. Overall, this thesis advances biomimetic catalysts for designing functional complexes inspired by natural enzymatic processes, aiming to enhance electrocatalysis and explore innovative design strategies for superior performance in sustainable energy applications.