O presente trabalho apresenta um estudo sistemático sobre a adsorção e a eletrooxidação do CO sobre eletrodos monocristalinos de platina. A partir da análise das intensidades das bandas integradas e das freqüências do Pt(111)-CO, apresenta-se uma interpretação dos efeitos de acoplamento dipolo-dipolo e de interconversão do COads.. Assim, sobre a Pt(111) os espectros de FTIR in situ mostram que o aumento na razão da intensidade das bandas integradas ACOB/ACOL e nas freqüências do νCOB quando θCO,total diminue é devido à redução do acoplamento dipolo-dipolo entre as moléculas do CO em diferentes sítios e, adicionalmente, à interconversão das formas inclinadas dos COL e COB para a forma do COB. No sentido de explicar esta interconversão, propomos um mechanism baseado nas interações dos orbitais de fronteiras do CO e do metal, associado com a retrodoação de elétrons. Nesse modelo, os deslocamentos das formas inclinadas do COL e do COB em direção à forma do COB são favoráveis provavelmente porque a retrodoação de elétrons, Ptd → CO2π* (LUMO), aumenta quando θCO,total diminui. Experimentos potenciostáticos sugerem que a cinética de nucleação e crescimento é o melhor modelo para descrever a eletrooxidação do CO. Propomos que no potencial de oxidação, ECO oxi. pode existir uma via muito rápida de formação do precursores oxigenados e que este pode lateralmente colidir com as ilhas de CO, impedindo que ocorra a dissipação das ilhas do COads. no potencial de oxidação, ECO oxi.. Apresentamos a evolução do crescimento e da oxidação de sub-monocamada de CO sobre monocristais de platina facetados. Em baixo grau de recobrimento do CO foi observado que a adsorção dessa molécula ocorre sem ocupação preferencial de sítios quinas ou terraças. Assim, sugerimos que a adsorção é um processo randômico e que depois que as moléculas do CO são adsorvidas estas não apresentam apreciáveis deslocamentos a partir de CO-(111) em direção aos sítios CO-(110). Isto significa que depois da adsorção, as moléculas do CO têm um longo tempo de residência ou que apresentam um coeficiente de difusão muito baixo. Mas, para alto grau de recobrimento por CO, os resultados mostram que é possível que laterais interações desempanham importantes papéis na distribuição de ocupação dos sítios e observamos que durante a eletrooxidação, são liberados simultaneamente sítios quinas e sítios terraços. Quanto à pré-oxidação, foi observado que quatro condições experimentais precisam ser satisfeitas para que ela ocorra sobre os monocristais de platina: (i) alto grau de recobrimento por CO; (ii) que a superfície onde oncorre a oxidação do CO tenha defeitos, como sítios quinas (110); (iii) que a camada do CO seja formada sob potenciais mais negativos do que o potencial de carga total zero do metal; (iv) e que exista pequena quantidade de CO dissolvido. As condições (i) e (ii) precisam ser satisfeitas simultaneamente para promover a pré-oxidação do CO; as condições (iii) e (iv) essencialmente contribuem correspondendo à condição (i). Observamos que a magnitude do pre-pico aumenta com o aumento do grau de recobrimento por CO. Então, isto pode ser indicativo que a pré-oxidação não tem relação com a difusão do CO em superfície porque o aumento do grau de recobrimento reduz a probabilidade de difusão em superfície. O modelo de ilhas comprimidas parece ser mais apropriado para descrever a pré-oxidação do CO. / This work presents a systematic study on the CO adsorption and its oxidation at platinum single crystal electrodes. From analysis of integrated band intensity and band frequency position of the Pt(111)-CO interface in acid, it is presented an interpretation of the dipole-dipole coupling effect and surface site inter-conversions of COads.. Thus, on Pt(111), in situ FTIR data show that the increase in both ratio integrated band intensity ACOB/ACOL and frequency of νCOB when θCO,total reduces it is indicative of reduce in dipole-dipole coupling interactions between CO molecules in different surface active sites and a mechanism where the tilted COL and COB in CO pressed adlayer displace or inter-convert in favor of increase of COB concentration. In order to explain that CO interconversion, we propose a mechanism based in frontier molecular orbitals of CO and the orbitals of the metal associated with the electron back bond donation. Thus, the displacement of tilted COL and COB on the surface towards COB is more stable because probably the back bond electron donation, Ptd → CO2π* (LUMO), increase when θCO,total diminishes. Potentiostatic experiments suggest that the nucleation and growth is the better model to describe the CO oxidation. It is proposed here that close to ECO oxi. might there is a fast pathway toward formation of oxygenated species and it might reach the CO islands by side and this hinder the dissipation of COads. islands at ECO oxi.. We report also time evolution studies of low CO adsorption coverage and oxidative stripping on stepped platinum surfaces. In low CO coverage, it was observed that there is no preferential site occupancy for CO adsorption on step or terrace. It is proposed that CO adsorption onto these surfaces is a random process, and after CO adsorption there is no appreciable shift from CO-(111) to CO-(110) sites. This implies that after adsorption, CO molecules either have a very long residence time, or that the diffusion coefficient is much lower than previously thought. But, in high CO coverage, the results show that it is possible that the lateral interaction might play important role in CO site occupancy and it was observed that during the CO electrooxidation the sites released included both terrace (111) and step (110) orientations. Among the CO oxidation a clear CO preoxidation process also occurs. It was observed four experimental conditions which were verified to be fulfilled to promote CO pre-oxidation on platinum single crystal: (i) the CO coverage is should be higher than minimum threshold; (ii) the surface where CO oxidation take place should have defects, such as (110) steps; (ii) the CO monolayer should be formed at potentials below the potential of zero total charge; (iv) and in a small amount of dissolved CO should be present in the electrolyte solution. In both conditions (i) and (ii) are necessary to take place simultaneously to promote CO pre-oxidation, (iii) and (iv) essentially contribute in fulfilling condition (i). It was verified that the magnitude of pre-peak increases with the amount of CO coverage. Thus, this might indicate that the CO pre-oxidation is not having relationship with the CO diffusion on the surface, because the increase of CO coverage diminishes surface diffusion. A picture model of compressed CO islands seems the most to describe CO pre-oxidation.

O estudo da eletro-oxidação de moléculas orgânicas pequenas, altamente energéticas e ecologicamente sustentáveis, tem ganhado importância no cenário tecnológico atual com o desenvolvimento de atuadores e dispositivos eletrônicos biomiméticos. Ao longo das últimas décadas, avanços no entendimento de mecanismos envolvidos na eletrocatálise destas moléculas levaram luz à existência de comportamento auto-organizado durante as reações destas sobre diversos catalisadores metálicos na ausência e presença de um suporte polimérico. Nesse contexto, a reação de eletro-oxidação de glicose é uma candidata interessante como fonte de elétrons em dispositivos eletrônicos, gerando 24 elétrons em sua oxidação total a CO2. Os objetivos desta tese foram, então, investigar a reação de eletro-oxidação da molécula de glicose, com foco na cinética não-linear sobre diferentes superfícies utilizando Pt, Au, Cu, e polianilina (PANI) (como material de suporte do eletrodo de trabalho de Pt) nas oscilações de potencial observadas. Para isso, foram utilizadas técnicas potencio/galvanodinâmicas, potencio/galvanostáticas, Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) e Nanobalança Eletroquímica de Cristal de Quartzo (EQCN). A reação de eletro-oxidação de glicose se mostrou uma rica fonte de oscilações periódicas de potencial (sobre Pt e Au) e de corrente (sobre Au) em meio alcalino, com oscilações periódicas estáveis, de longa duração e em uma ampla região de parâmetros, porém, a fraca adsorção dessa molécula sobre Cu pode ter sido o principal motivo da ausência de instabilidades neste catalisador. A propriedade das oscilações sobre Au e Pt, em meio alcalino, em apresentar altas amplitudes de potencial tem a capacidade de promover a autolimpeza periódica da superfície do catalisador, prolongando o tempo de vida deste e aumentando sua eficiência. Além disso, a sensibilidade das oscilações de potencial a diferentes adsorbatos permitiu o acesso a informações mecanísticas dificilmente obtidas por demais técnicas eletroquímicas. Estudos nanogravimétricos com a EQCN e eletrodos modificados com PANI mostraram que as variações de massa em condições oscilatórias são determinadas majoritariamente pelo fenômeno de compensação de cargas dentro do filme polimérico e que a oxidação da molécula orgânica é responsável pela variação majoritária de carga no mesmo. O aumento na tolerância destes catalisadores em relação à adsorção de CO e outros intermediários e presença de oscilações de potencial mostra uma mudança no mecanismo reacional em eletrocatalisadores de PANI em comparação a Pt e Au. O processo volumétrico, de aumento e diminuição do volume do suporte polimérico durante as oscilações de potencial, pode ser considerado no edesigne de atuadores auto-oscilantes em dispositivos autônomos. Por fim, a investigação da cinética não-linear na reação de eletro-oxidação de glicose sobre Au foi relatada por este trabalho pela primeira vez na literatura. / The study of the electro-oxidation of small organic molecules, highly energetic and ecologically sustainable, has gained importance in the current technological scenario with the development of actuators and biomimetic electronic devices. Over the last decades, advances in the understanding of the mechanisms involved in the electrocatalysis of these molecules have led light to the existence of self-organized behavior during their reactions on several metal catalysts and metal-polymer composites. More recently, new research has shown that such a phenomenon can be used in the control of the poisoning of catalytic surfaces by self-cleaning the surface, using such oscillatory reactions, increasing the catalyst life time and the potency of practical devices. In this context, the electro-oxidation reaction of glucose is na interesting candidate as electron source in electronic devices, despite the difficulty in its total oxidation, generating 24 electrons in its complete oxidation to CO2. The objectives of this thesis were to investigate the electro-oxidation reaction of the glucose molecule, focusing on the non-linear kinetics on different catalyst surfaces used (Pt, Au and Cu) and the effect of the support for working electrode on potential oscillations. For this, potentio/galvanodynamic, potentio/galvanostatic, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Electrochemical Quartz Crystal Nanobalance (EQCN) techniques were used. The electro-oxidation reaction of glucose was shown to be a rich source of periodic potential oscillations (over Pt and Au) and of current (over Au) in alkaline medium, with stable periodic oscillations of long duration and in a wide range of parameters, but the low adsorption of this molecule on Cu may have been the main reason for the absence of instabilities in this catalyst. In contrast to the high current densities observed for the oxidation of glucose in alkaline medium over Pt and Au, in acid medium the low glucose activity led to low current densities over Pt and unstable potential oscillations in a more constrained range of parameters. In addition, the nonlinear kinetics of the electro-oxidation reaction of glucose on Au was reported by this work for the first time in the literature. Nanogravimetric studies with EQCN with polyaniline-modified electrodes have shown that the potential oscillations during the electro-oxidation of formic acid are strongly influenced by the process of charge compensation in the polymer film, for both the electrode of Pt coated with PANI (Pt/PANI) and for Pt nanoparticles deposited in this polymer support (Au/PANI/Pt). However, the decrease in the potential values where oscillations are observed and the decrease in their frequency can be explained by the increase in the tolerance of the Pt nanoparticles to the adsorption of CO and other intermediates, as reported by several authors in the literature. And in Pt nanoparticle electrodes supported by films such as PANI, the charge variation is still dominated by the organic oxidation reaction and the mass variation in the surface of the catalyst is dominated by the charge compensation effect within the film. Thus, the decrease of the catalyst affinity by organic adsorption makes the dynamic instabilities kinetics slower, as observed for the Pt, Au and PANIbased electrodes. And the higher tolerance of the catalyst supported on the polymer electrode by strong adsorbates, such as CO, does not prevent the emergence of oscillatory behavior, however, it can direct the oxidation reaction of the organic by a different mechanism pathway.

Recentemente, o mecanismo pelo qual o ácido fórmico é oxidado tem gerado debate na literatura. Há discordância em relação às vias pelas quais o processo ocorre e também qual seria o principal intermediário de uma das vias. Como forma de se obter novas informações sobre este sistema, há trabalhos na literatura explorando diferentes condições experimentais, como por exemplo, a adição de um aditivo. Dentre eles, a hidrazina foi eleita por ser outra molécula de interesse para aplicação em dispositivos de conversão de energia química em elétrica. Assim argumenta-se que a presença da hidrazina não interfere na eletro-oxidação do ácido fórmico e, portanto, gera uma resposta total aditiva da soma das partes individuais. Ao se utilizar o estudo do comportamento complexo de um sistema como metodologia, pode-se encontrar novas informações a respeito deste. Desta forma, foi descoberto que o comportamento ao invés de aditivo seria sinergético e que há mudanças significativas na série temporal do ácido fórmico, como um grande aumento na duração do processo e a alteração de algumas de suas variáveis. Também foi observada uma mudança no comportamento das oscilações potenciostáticas, indicando uma dependência do processo com a superfície utilizada. Foi proposto que a hidrazina atuaria reduzindo o acúmulo de espécies oxigenadas na superfície do eletrodo prevenindo que a série temporal terminasse brevemente. Em seguida empregou-se uma técnica espectrométrica (DEMS) para avaliar a produção de produtos gasosos (CO2) e descobriu-se que, na presença de hidrazina, o ácido fórmico oxida-se de forma facilitada, em potenciais mais baixos. Propôs-se que, além de prevenir o acúmulo de espécies oxigenadas, a hidrazina perturbaria a decomposição do ácido fórmico para a geração de CO, permitindo uma oxidação direta em potenciais mais baixos. Finalmente, para se aprofundar o entendimento dos processos superficiais, utilizou-se a técnica EMSI para se obter uma imagem da superfície. Foi descoberto que a decomposição do ácido fórmico a COads ocorre gerando uma frente reacional que se repete ciclo após ciclo durante a série temporal e que é possível monitorar a variação de adsorbatos por uma mudança na intensidade da imagem. Não foi possível obter dados na presença da hidrazina por conta da presença de bolhas. Como conclusão entende-se neste trabalho que há evidências o suficiente para apontar que a eletro-oxidação do ácido fórmico assistido por hidrazina ocorre, não de forma aditiva, mas sim de forma sinergética. / Recently, the mechanism by which formic acid is oxidized is a matter of debate on the literature. There is disagreement on the pathways that the process may occur as well as which would be the intermediates participating. In this sense, there are some work exploring another aspect of this reaction, such as its behavior facing the addition of an additive. Among them, hydrazine has been chosen as it is another molecule of interest for energy generation devices such as fuel cells. In this fashion, it is argued that the presence of hydrazine would not interfere in the electro-oxidation of formic acid and, therefore, would yield an additive current when being co-oxidized. The complex behavior of a system may display new and relevant information thus this methodology was employed to revisit this system. It was found that the system would behave, instead of the argued additive behavior, synergistically and that there are striking differences on the time-series of formic acid, such as an increase on the duration of the process and the alteration of some of its variables. Also, it was observed a change in the potentiostatic oscillations, showing a dependence of the process with the morphology of the surface employed. It was proposed that hydrazine would act reducing the accumulation of oxygenated species on the surface of the electrode, postponing the end of the time-series. Next, it was employed a spectrometric technique (DEMS) to evaluate the production of gaseous products (CO2) and it was found that, in the presence of hydrazine, formic acid gets oxidized in a more facile way, in lower overpotential values. It was proposed that, besides preventing the accumulation of oxygenated species, hydrazine would disturb the decomposition of formic acid to COads, allowing a direct oxidation in lower overpotentials. Finally, for deepening the understanding of the superficial processes it was employed an imaging technique (EMSI). It was discovered that the decomposition of formic acid to COads there is a reactional front that repeats itself cycle after cycle during the time-series and that it is possible to monitor changes in the coverage of adsorbates by changes in the intensity of the image. It was not possible to obtain data in the presence of hydrazine since it generates many bubbles that disrupt the experiment. As conclusion of this work it is presented the thesis that, with the amount of evidences herein presented, the interaction between formic acid and hydrazine is synergistical rather than additive, as stated on the literature.

Nesta dissertação, novos nanomateriais à base de hidróxido de níquel aditivados com cério (Nix(OH)2x-Ce1-x, onde x = 0,8; 0,95 e 1) foram preparados e suportados em FTO gerando eletrodos modificados do tipo Nix(OH)2x-Ce1-x/FTO. Tais materiais foram obtidos pelo método sol-gel e caracterizados pelas técnicas de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão (SEM e TEM), análise elementar por ICP-OES, espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS), difratometria de raios-X (XRD) e voltametria cíclica (CV). Os resultados foram consistentes com a fase α-Ni(OH)2 para todos os nanomateriais. Os resultados revelaram também que o eletrodo α-Ni(OH)2-Ce(20)/FTO apresentou atividade eletrocatalítica aumentada para oxidação de metanol e glicerol frente ao α-Ni(OH)2 e α-Ni(OH)2-Ce(5), sugerindo um possível efeito sinérgico devido a formação de Ce(IV), mas após 3 dias verificou-se o aparecimento de uma nova fase menos ativa. Acredita-se que o processo de preparação e a composição podem ser otimizados para gerar materiais mais estáveis e minimizar tal processo, aumentando as perspectivas de aplicações para o desenvolvimento de dispositivos eletroquímicos como as células a combustível. / In this work, new nanomaterials based on nickel hydroxide additivated with cerium(III) were prepared and supported on fluorine doped tin Oxide (FTO) (Nix(OH)2x-Ce1-x/FTO), x= 0,8; 0,95 e 1. Such materials were obtained by sol-gel method and characterized by scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM), elemental analyses by (ICP-OES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffractometry (XRD) and cyclic voltammetry (CV) techniques. The results were consistent with the -Ni(OH)2 phase in all nanomaterials. The results revealed also that the α-Ni(OH)2-Ce(20)/FTO electrode exhibited an enhanced electrocatalytic activity towards oxidation of methanol and glycerol than α-Ni(OH)2 and α-Ni(OH)2-Ce(5) but the appearance of a new phase with lower electrocatalytic properties was verified after 3 days. We believed that the preparation process and the composition can be optimized in order to generate stable materials thus overcoming that drawback, increasing the perspectives for the development of electrochemical devices such as sensors and fuel cells.

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. / 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.

Ce travail porte sur les complexes des métaux de transitions pour la catalyse de la réduction des protons en hydrogène. La nature de l’espèce catalytiquement active mise en jeu lors du processus de réduction a été étudiée par voltampérométrie cyclique afin de comprendre le rôle et le mode d’action de ces complexes. Le premier chapitre introduit le contexte et les principaux objectifs de ce travail. Le deuxième chapitre propose une étude électochimique de complexes de cobalt et de nickel à ligands bis(glyoxime) et clathrochélates en phase homogène. Leur comportement en présence d’acide et en condition réductrice est décrit et un mécanisme réactionnel associé est proposé. L’influence des ligands de la sphère de coordination sur le comportement électrochimique de ces complexes a été rationalisé par le biais de substitution des groupements présents sur les ligands bis(glyoxime) et clathrochélates. Le troisième chapitre aborde le rôle de pré-catalyseur que peuvent tenir ces complexes en condition d’électrolyse réductrice et en milieu acide. L’électrosynthèse de nanoparticules catalytiques à partir de ces complexes a mis en évidence le rôle majeur des ligands bis(glyoxime) et clathrochélates dans ce phénomène d’électrodéposition. Ces résultats montrent que ces ligands peuvent être utilisés pour contrôler la nature et l’activité de nanoparticules catalytiques pour la réduction des protons en dihydrogène. Le quatrième chapitre vise à immobiliser les complexes de cobalt à ligand clathrochélate au sein de réseaux de coordination afin d’optimiser leur activité catalytique. Malgré la faible solubilité et l’encombrement stérique de ces complexes, des synthèses en conditions très douces ont abouti à la formation de réseaux mono et bi-dimensionels à base d’ions cadmium(II). / My PhD thesis goal was to investigate on the catalytic properties of first row transition metal complexes for the hydrogen evolving reaction (HER). The underlying question in the field concerning the catalytic species of metal complexes for the HER was then, whether it is homogeneous or heterogeneous catalysis. My work concerns the synthesis and characterization of oximato based cobalt and nickel complexes and their electrochemical behavior in presence of acids.In the first chapter, I give a general introduction on the search for catalytic molecular systems for the production of hydrogen. I also give an overview of my approach tackling the problem of homogeneous and heterogeneous catalysis. In the second chapter I discuss on the electrochemical study of cobalt and nickel complexes containing bis(glyoxime) ligands and clathrochelates complexes in homogeneous phase. Their electrochemical behavior under reductive conditions in presence of acids is described. The absence of molecular based catalysis is discussed and a mechanistic pathway for the consumption of protons and electrons is proposed. The influence of the ligands in the coordination sphere has been rationalized through substitutions of the chemical groups on the bis(glyoxime) and clathrochelates ligands. The third chapter concerns the generation of catalytic material from the molecular precursors in acidic reductive conditions. Electrochemically modified glassy carbon electrodes were characterized by TEM and evidenced the formation nanoparticles containing the initial metal ions (either cobalt of nickel). Our results show that the chemical nature of the ligands can be used in order to control the nature and reactivity patterns of these catalytically active nanoparticles for proton reduction into hydrogen.In the forth chapter, I give the preliminary results on the immobilization the cobalt clathrochelates complexes inside coordination networks in order to improve their catalytic activity. Despite the weak solubility and the bulk of these complexes, mild conditions synthesis have led to mono and bi-dimensional networks based on cadmium (II) ions.To conclude I emphasize on the different ways that can be followed to further pursue this quest for catalytic materials for the HER starting with molecular based complexes as precursors.

Submitted by Maria Aparecida (cidazen@gmail.com) on 2017-11-16T13:16:54Z No. of bitstreams: 1 JOSÉ RIBAMAR NASCIMENTO DOS SANTOS.pdf: 1283725 bytes, checksum: 4c5d6eba4cec82d8cb883aa89b0a81f6 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-16T13:16:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOSÉ RIBAMAR NASCIMENTO DOS SANTOS.pdf: 1283725 bytes, checksum: 4c5d6eba4cec82d8cb883aa89b0a81f6 (MD5) Previous issue date: 2017-09-19 / CAPES / The electro-oxidation of ethanol was evaluated on a pyrolytic graphite electrode (PGE) chemically modified with the nickel(II)-bis(1,10-phenanthroline) complex (Ni(II)(Phen)2) supported on reduced graphene oxide (RGO) (rGO/Ni(II)(Phen)2/PGE). The Ni(II)(Phen)2 complex, reduced graphene oxide (rGO) and the rGO/Ni(II)(Phen)2 composite were prepared and characterized by the techniques of Spectroscopy in the UV-Vis, Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Diffraction of X-rays. The electrocatalytic activity of the material was evaluated by cyclic voltammetry and chronoamperometry. In alkaline solution, the voltamograms obtained for rGO/Ni(II)(Phen)2/PGE showed the formation of well defined redox peaks associated with the Ni(II)/Ni(III) redox couple. The results showed that the RGO/Ni(II)(Phen)2 composite significantly increases the electrocatalytic activity for ethanol oxidation compared to the electrode modified only with the Ni(II)(Phen)2 complex. Using the Laviron theory, the charge transfer rate constant (ks) and the electron transfer coefficient (α) of the electrode reaction were calculated to be 0.56 s-1 and 0.61, respectively. A investigation of the electro-oxidation of ethanol was performed by evaluating the effect of different parameters such as potential scan rate, OH- concentration and alcohol concentration. The chronoamperometric experiments were used to determine the diffusion coefficient of ethanol (D = 4.7 Χ 10-6 cm2 s-1) and the catalytic rate constant (kcat = 1.26 Χ 107 cm3 mol-1 s-1). The results obtained in this study clearly indicate the viability of rGO/Ni(II)(Phen)2/PGE as an electrocatalyst for ethanol oxidation. / A eletro-oxidação do etanol foi avaliada em um eletrodo de grafite pirolítico (PGE) quimicamente modificado com o complexo de níquel(II)-bis(1,10-fenantrolina) (Ni(II)(Phen)2) suportado em óxido de grafeno reduzido (rGO) (rGO/Ni(II)(Phen)2/PGE). O complexo Ni(II)(Phen)2, o óxido de grafeno reduzido (rGO), e o compósito rGO/Ni(II)(Phen)2 foram preparados e caracterizados pelas técnicas de Espectroscopia na região do UV-Vis, Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier e Difração de Raios X. A atividade eletrocatalítica do material foi avaliada por voltametria cíclica e cronoamperometria. Em solução alcalina, os voltamogramas obtidos para rGO/Ni(II)(Phen)2/PGE mostraram processos redox bem definidos associados ao par redox Ni(II)/Ni(III). Os resultados mostraram que o compósito rGO/Ni(II)(Phen)2 aumenta significativamente a atividade eletrocatalítica para a oxidação do etanol em comparação com o eletrodo modificado apenas com o complexo Ni(II)(Phen)2 adsorvido na superfície do eletrodo. Usando a teoria de Laviron, a constante de velocidade de transferência de carga (ks) e o coeficiente de transferência de elétrons (α) da reação do eletrodo foram calculados sendo 0,56 s-1 e 0,61, respectivamente. Uma investigação da eletro-oxidação do etanol foi realizada avaliando o efeito de diferentes parâmetros, como a velocidade de varredura do potencial, a concentração de OH- e a concentração de álcool. Os experimentos cronoamperométricos foram utilizados para determinar o coeficiente de difusão do etanol (D = 4,7 Χ 10-6 cm2 s-1) e a constante de velocidade catalítica (kcat = 1,26 Χ 107 cm3 mol-1 s-1). Os resultados obtidos neste estudo indicam, claramente, a viabilidade do rGO/Ni(II)(Phen)2/PGE como eletrocatalisador da oxidação de etanol.

O dióxido de manganês (MnO2) é um catalisador eficiente de baixo custo utilizado no cátodo de baterias do tipo metal-ar e células a combustível alcalinas, sendo capaz de promover a redução completa de oxigênio pela rota 4e-. No entanto, o dióxido de manganês é um semicondutor e só pode ser utilizado como material eletródico nos dispositivos mencionados se combinado com algum suporte condutor. O suporte condutor mais utilizado para este fim é o carbono em pó. Entretanto, este material não possui estabilidade suficiente nas condições operacionais das células alcalinas, sendo convertido gradativamente em CO2. Uma das possíveis estratégias para tentar minimizar esta deficiência é incrementar a condutividade eletrônica do óxido puro pela dopagem com alguns cátions metálicos. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo geral pesquisar de maneira sistemática o efeito da dopagem de dióxido de manganês com alguns cátions metálicos, como o Bi3+e Ce4+ nas propriedades físico-químicas e eletrocatalíticas deste óxido, visando o uso dos mesmos como em cátodos de baterias recarregáveis do tipo Zn-ar. As análises das características morfológicas dos catalisadores por meio de MEV e TEM mostram que os óxidos de manganês são gerados na forma de nano-bastões de 50 a 100 nm de comprimento. Os óxidos puros e dopados com bismuto e cério apresentam estruturas tetragonais típicas, ocorrendo expansão da célula unitária dos óxidos dopados pela troca de íons manganês pelos correspondentes dopantes na rede cristalina de MnO2. Os resultados eletroquímicos sugerem um aumento de condutividade do óxido dopado que possibilita seu uso sem mistura com carbono. Além disso, observa-se que a RRO é catalisada por um mecanismo que envolve a transferência de 4e- nestes materiais com participação de peróxido como intermediário. O óxido de manganês dopado com Bi apresentou promissor desempenho catalítico para a RDO, o que junto com os demais resultados apresentados para a RRO o qualificou a funcionar como o catalisador bifuncional mais promissor de todos os estudados em baterias do tipo metal-ar. Experimentos realizados em mini baterias do tipo Zn-ar demonstraram a total capacidade do catalisador dopado com bismuto operar como catalisador do eletrodo de ar, resultando num desempenho superior ao de um catalisador convencional de MnO2/C. / Manganese dioxide is at the same time an efficient and low-cost material used as cathode catalyst in the air electrode of metal-air and alkaline fuel cells, capable to promote the complete reduction of oxygen thru the 4e- mechanism. However, manganese dioxide is a semiconductor and can be used as electrodic material in the mentioned devices only combined with a conductor support. High surface area carbon powder is the most commonly used material for such purpose. The problem is that carbon suffers from severe instabilities in the experimental conditions that fuel cells and metal-air batteries operates, being gradually converted into CO2. A possible strategy to overcome or at least minimize the low oxide conductivity is by doping this material with some metallic cations. In this sense, the main purpose of this work was the systematic investigation of the physicochemical and electrocatalytic properties of Bi3+ and Ce4+ doped manganese dioxide materials used as cathode catalysts in the air electrode of alkaline type Zn-air batteries. The morphologic characterization performed SEM and TEM revealed that pure as well cation doped MnO2 are formed as poly dispersed nanorods with 50-100 nm length. Both pure and doped materials presented typical tetragonal structures, although a cell expansion was observed in the doped oxides caused by the exchange of some manganese cations by the doping counter parts. Electrochemical results suggest that a material with increased conductivity results from the doping process, allowing it to operate as air catalyst without the use of a carbon support. Besides, it is observed that the oxygen reduction reaction proceeds thru the 4e- mechanism on the doped oxides involving hydrogen peroxide as intermediate. The Bi doped oxide presented the best performance for the oxygen evolution reaction among all catalysts investigated. This result together with the superior performance for the oxygen reduction reaction presented by this material suggest that Bi doped MnO2 is a potential candidate to operate as an air catalyst of rechargeable alkaline metal-air batteries. Experiments conducted in a mini Zn-air battery using Bi doped MnO2 as air catalyst corroborated this observation.

Ce travail porte sur la synthèse, la caractérisation et l’évaluation en catalyse de réduction des protons en dihydrogène, de nouveaux complexes de Ni(II), Co(III), Cu(II) et Pd(II) basés sur des ligands de type thiosemicarbazone. La nature de l’espèce catalytique active a été étudiée par voltampérométrie cyclique et des propositions de mécanisme ont été formulés sur la base de calcul quantique de type DFT.Le premier chapitre introduit le contexte scientifique. Le second chapitre concerne la synthèse et la caractérisation des ligands de type N2S2 et des complexes mononucléaires associés de Ni, Cu et Pd. Le troisième chapitre présente la synthèse et la caractérisation de complexes binucléaires de Co et trinucléaire de Ni.Les études électrochimiques de ces complexes dans le DMF en présence d’une source de protons, nous a permis d’évaluer leur efficacité catalytique. Nos résultats montrent que les complexes du Cu et du Pd présentent une vague irréversible spécifique pour la réduction des protons, mais une décomposition est observée durant l’électrolyse. Par contre, les complexes de Ni et de Co ont montré une stabilité électrochimique ainsi que de bonnes performances catalytiques. En particulier, le nouveau complexe mononucléaire de Ni présente des propriétés catalytiques remarquables qui le classent parmi les meilleurs catalyseurs de la réduction des protons décrits dans la littérature. L’ensemble de ce travail fourni une description complète du comportement électrochimique des ligands de type N2S2 complexés à des métaux de transition. Il permet d’envisager des développements futurs dans l’amélioration des propriétés catalytiques de ces complexes. / This work focuses on the synthesis, the characterization and the catalytic evaluation in the reduction of protons into dihydrogen, of new complexes of Ni(II), Co(III), Cu(II) and Pd(II) based ligands Type thiosemicarbazone. The catalytically active species during the process of the proton reduction was studied by cyclic voltammetry and mechanisms were formulated on the basis quantum chemical calculation.The first chapter introduces the scientific context, the goals and the main objectives of this work. The second chapter concerns the synthesis and the characterization of the N2S2 ligands and their associated mononuclear complexes, Ni, Cu and Pd. The third chapter presents the synthesis and the characterization of binuclear Co and trinuclear Ni based on N2S2 ligand.Electrochemical studies of these complexes in DMF in the presence of a proton source (trifluoroacetic acid), allowed us to evaluate their catalytic efficiency. Our results show that Cu and Pd complexes have a specific irreversible wave for the reduction of protons, but decomposition is observed during electrolysis, which makes these uninteresting complexes for the reduction of protons.On the contrary, Ni and Co complexes showed an electrochemical stability and good catalytic performances. In particular, the new mononuclear Ni complex exhibits remarkable catalytic properties that rank it among the best catalysts for the reduction of protons reported in the literature. All this work provided a complete description of the electrochemical behavior of N2S2 thiosemicarbazone ligands complexed to transition metals. It allows considering future developments in improving the catalytic properties of these complexes.

In light of its rapidly growing energy demand, human society has an urgent need to become much more strongly reliant on renewable and sustainable energy carriers. Molecular hydrogen made from water with solar energy could provide an ideal case. The development of inexpensive, robust and rare element free catalysts is crucial for this technology to succeed. Enzymes in nature can give us ideas about what such catalysts could look like, but for the directed adjustment of any natural or synthetic catalyst to the requirements of large scale catalysis, its capabilities and limitations need to be understood on the level of individual reaction steps. This thesis deals with kinetic and mechanistic investigations of photo- and electrocatalytic hydrogen production with natural and synthetic molecular catalysts. Photochemical hydrogen production can be achieved with both E. coli Hyd-2 [NiFe] hydrogenase and a synthetic dinuclear [FeFe] hydrogenase active site model by ruthenium polypyridyl photosensitization. The overall quantum yields are on the order of several percent. Transient UV-Vis absorption experiments reveal that these yields are strongly controlled by the competition of charge recombination reactions with catalysis. With the hydrogenase major electron losses occur at the stage of enzyme reduction by the reduced photosensitizer. In contrast, catalyst reduction is very efficient in case of the synthetic dinuclear active site model. Here, losses presumably occur at the stage of reduced catalyst intermediates. Moreover, the synthetic catalyst is prone to structural changes induced by competing ligands such as secondary amines or DMF, which lead to catalytically active, potentially mononuclear, species. Investigations of electrocatalytic hydrogen production with a mononuclear catalyst by cyclic voltammetry provide detailed kinetic and mechanistic information on the catalyst itself. By extension of existing theory, it is possible to distinguish between alternative catalytic pathways and to extract rate constants for individual steps of catalysis. The equilibrium constant for catalyst protonation can be determined, and limits can be set on both the protonation and deprotonation rate constant. Hydrogen bond formation likely involves two catalyst molecules, and even the second order rate constant characterizing hydrogen bond formation and/or release can be determined.