A fim de estudar as propriedades dos complexos de ferro com ligantes diirnínicos, tais corno: espectro eletrônico, reatividade dos complexos com cianeto e comportamento fotoquímico, novos complexos (I)ferrosos com diiminas foram preparados e caracterizados. A oxidação, em solução de H2SO4 11 M, dos complexos ferrosos com diiminas produziu os seus análogos férricos. A reação de um dos complexos ferrosos (R e R\' = CH3) com o íon cianeto produziu dois ciano-complexos mistos, onde um destes apresenta um dos ligantes modificado. Obtiveram-se também complexos com 1igantes tridentados(II). (Ver no arquivo em PDF). A investigação dos espectros eletrônicos dos complexos diirnínicos de ferro(II) apresentou três tipos de bandas, resu1tantes de transições de transferência de elétrons interna dos 1igantes (TEIL), metal-1igante (TEML)e transições d-d. As bandas de TEIL ocorrem na região de energia acima de 34 kK As de TEML ocorrem na região de 17 a 24 kK, com evidências indicando que o formato da banda não se deve ao acoplamento vibracional. Observa-se somente uma banda atribuída à transição d-d em 28 kK, usando dados da literatura obtidos para os complexos análogos com dipy e phen foram calculados os valores de B e Dq. Os espectros dos complexos férricos análogos apresentam bandas atribuídas a transições de transferência de elétrons ligante-metal (TELM), na região de 23 a 32 kK, e TEIL, na região de 47 a 50 kK. Verifica-se uma correlação entre a soma das energias das bandas de TEML, dos complexos ferrosos, com as de TELM, dos complexos férricos, e as energias das bandas de TEIL. Para os complexos com ligantes tridentados a atribuição das bandas tornou-se mais difícil devido à complexidade dos espectros. Ocorrem bandas na região de 16 a 21 kK, atribuídas a transições de TEML, e na região de 25 a 51 kK, atribuídas a TEIL. O desdobramento das bandas de TEML sugere uma baixa simetria para estes complexos com ligantes tridentados. Os ciano-complexos mistos obtidos foram caracterizados por espectros de infravermelho e de ressonância magnética nuclear, além das análises de ferro e cianeto. Também foram estudados os seus espectros eletrônicos. As bandas de TEML, que ocorrem na região de 18 a 21 kK em solução aquosa, apresentam uma forte dependência da sua energia com o solvente. Observam-se ainda bandas, na região em tôrno de 50 kK, atribuídas a TEIL. Experiências fotoquímicas indicaram que os complexos diimínicos de ferro(II), preparados neste trabalho, são fotoreativos, quando irradiados com uma lâmpada de mercúrio a média pressão. Há evidências indicando que o mecanismo da decomposição fotoquimica ocorre via ligante. / In order to investigate the properties of iron diimine complexes, six new complexes (I) were synthesized and characterized. The spectral properties, reactivity towards cynanide ions and photochemical behavior of these complexes were studied. In the reaction of the complex with R and R\' = CH3 with the cyanide ion two mixed-cyano complexes were obtained. One of these presents a modified diimine ligand. By chemical oxidation of the ferrous complexes, at high acid concentration, it was possible to study some of the properties of the ferric complexes. Some complexes with tridentade diimine ligands(II) were also studied. (See in the PDF file). The electronic spectra of the ferrous diimine complexes presented three kinds of absorption bands. These bands resulted from transitions due to: internal ligand electron transfer (ILET), metal to ligand electron transfer (MLET) and ligand field (d-d transitions). The ILET bands occur above 34 kK. The MLET bands occur from 17 to 24 kK. Evidence is presented that the structure of the MLET band cannot be accounted for by a vibrational coupling. It was possible to observe a d-d transition at 28 kK. By using literature data for complexes with 2,2\'-bipyridine and phenantroline it was possible to calculate the values and Dq. The corresponding ferric complexes presented bands from 23 to 32 kK and ILET bands from 47 to 50 kK. A correlation is observed between the surn of the frequencies of the MLET bands, of the ferrous complexes, LMET bands, of the ferric complexes, and the frequencies of the ILET bands. In the case of the complexes with tridentade ligands the assignment of the bands is not simple, due to the complexity of the absorption electronic spectra. Possibly, the MLET bands occurs from 16 to 21 kK and the ILET bands from 25 to 51 kK. The splitting of the MLET bands suggests a lower simmetry than D3 for these complexes. The mixed-cyano complexes obtained were characterized by their infrared and nuclear magnetic ressonance spectra and analytical data on Fe and CN contents. The study of the electronic absorption spectra showed a MLET band, in the region from 18 to 21 kK in aqueous solution. ILET bands were observed around 50 kK. The position of the MLET bands showed a strong solvent-dependence. Prelirninary photochernical experirnents indicated that the ferrous diirnine cornplexes are photoreactive, when irradiated with a rnediurn pressure rnercury lamp. Evidence is presented that the rnechanisrn of the photodecornposition occurs via the ligands.

A fim de estudar as propriedades dos complexos de ferro com ligantes diirnínicos, tais corno: espectro eletrônico, reatividade dos complexos com cianeto e comportamento fotoquímico, novos complexos (I)ferrosos com diiminas foram preparados e caracterizados. A oxidação, em solução de H2SO4 11 M, dos complexos ferrosos com diiminas produziu os seus análogos férricos. A reação de um dos complexos ferrosos (R e R\' = CH3) com o íon cianeto produziu dois ciano-complexos mistos, onde um destes apresenta um dos ligantes modificado. Obtiveram-se também complexos com 1igantes tridentados(II). (Ver no arquivo em PDF). A investigação dos espectros eletrônicos dos complexos diirnínicos de ferro(II) apresentou três tipos de bandas, resu1tantes de transições de transferência de elétrons interna dos 1igantes (TEIL), metal-1igante (TEML)e transições d-d. As bandas de TEIL ocorrem na região de energia acima de 34 kK As de TEML ocorrem na região de 17 a 24 kK, com evidências indicando que o formato da banda não se deve ao acoplamento vibracional. Observa-se somente uma banda atribuída à transição d-d em 28 kK, usando dados da literatura obtidos para os complexos análogos com dipy e phen foram calculados os valores de B e Dq. Os espectros dos complexos férricos análogos apresentam bandas atribuídas a transições de transferência de elétrons ligante-metal (TELM), na região de 23 a 32 kK, e TEIL, na região de 47 a 50 kK. Verifica-se uma correlação entre a soma das energias das bandas de TEML, dos complexos ferrosos, com as de TELM, dos complexos férricos, e as energias das bandas de TEIL. Para os complexos com ligantes tridentados a atribuição das bandas tornou-se mais difícil devido à complexidade dos espectros. Ocorrem bandas na região de 16 a 21 kK, atribuídas a transições de TEML, e na região de 25 a 51 kK, atribuídas a TEIL. O desdobramento das bandas de TEML sugere uma baixa simetria para estes complexos com ligantes tridentados. Os ciano-complexos mistos obtidos foram caracterizados por espectros de infravermelho e de ressonância magnética nuclear, além das análises de ferro e cianeto. Também foram estudados os seus espectros eletrônicos. As bandas de TEML, que ocorrem na região de 18 a 21 kK em solução aquosa, apresentam uma forte dependência da sua energia com o solvente. Observam-se ainda bandas, na região em tôrno de 50 kK, atribuídas a TEIL. Experiências fotoquímicas indicaram que os complexos diimínicos de ferro(II), preparados neste trabalho, são fotoreativos, quando irradiados com uma lâmpada de mercúrio a média pressão. Há evidências indicando que o mecanismo da decomposição fotoquimica ocorre via ligante. / In order to investigate the properties of iron diimine complexes, six new complexes (I) were synthesized and characterized. The spectral properties, reactivity towards cynanide ions and photochemical behavior of these complexes were studied. In the reaction of the complex with R and R\' = CH3 with the cyanide ion two mixed-cyano complexes were obtained. One of these presents a modified diimine ligand. By chemical oxidation of the ferrous complexes, at high acid concentration, it was possible to study some of the properties of the ferric complexes. Some complexes with tridentade diimine ligands(II) were also studied. (See in the PDF file). The electronic spectra of the ferrous diimine complexes presented three kinds of absorption bands. These bands resulted from transitions due to: internal ligand electron transfer (ILET), metal to ligand electron transfer (MLET) and ligand field (d-d transitions). The ILET bands occur above 34 kK. The MLET bands occur from 17 to 24 kK. Evidence is presented that the structure of the MLET band cannot be accounted for by a vibrational coupling. It was possible to observe a d-d transition at 28 kK. By using literature data for complexes with 2,2\'-bipyridine and phenantroline it was possible to calculate the values and Dq. The corresponding ferric complexes presented bands from 23 to 32 kK and ILET bands from 47 to 50 kK. A correlation is observed between the surn of the frequencies of the MLET bands, of the ferrous complexes, LMET bands, of the ferric complexes, and the frequencies of the ILET bands. In the case of the complexes with tridentade ligands the assignment of the bands is not simple, due to the complexity of the absorption electronic spectra. Possibly, the MLET bands occurs from 16 to 21 kK and the ILET bands from 25 to 51 kK. The splitting of the MLET bands suggests a lower simmetry than D3 for these complexes. The mixed-cyano complexes obtained were characterized by their infrared and nuclear magnetic ressonance spectra and analytical data on Fe and CN contents. The study of the electronic absorption spectra showed a MLET band, in the region from 18 to 21 kK in aqueous solution. ILET bands were observed around 50 kK. The position of the MLET bands showed a strong solvent-dependence. Prelirninary photochernical experirnents indicated that the ferrous diirnine cornplexes are photoreactive, when irradiated with a rnediurn pressure rnercury lamp. Evidence is presented that the rnechanisrn of the photodecornposition occurs via the ligands.

Uma série de compostos de transferência de carga baseado em derivados de anilina (grupo doador) e N-alquilpiridínio (grupo receptor) foi preparada e ligada à periferia do anel porfirínico, gerando uma nova série de porfirinas supermoleculares, que foram caracterizadas por espectroscopia eletrônica, voltametria cíclica, espectroeletroquímica, fluorescência e fotólise relâmpago. Os compostos foram preparados no laboratório do Prof. Silviu Balaban, no Instituto de Nanotecnologia do Forschungszentrum Karlsruhe, visando o estudo da interação entre a porfirina e aqueles compostos de transferência de carga, particularmente o efeito da estrutura molecular sobre as as propriedades fotoquímicas. As porfirinas foram projetadas tendo como modelo o sistema antena de algumas bactérias verdes fotossintéticas, visando obter fotossensibilizadores mais eficientes acoplando processos de transferência de energia (efeito antena) para o sítio porfirínico ativo, aumentando a eficiência de absorção/conversão na região do visível, melhorando assim o aproveitamento da energia solar. De fato, os sensibilizadores porfirínicos supermoleculares que foram objeto de estudo desta tese, apresentaram apenas um eficiente mecanismo de transferência de energia intramolecular para o grupo porfirínico; e as ligações amida ou éster utilizadas para ligar os grupos parecem não influenciar significativamente a eficiência do efeito antena. Os estudos de fluorescência e de fotólise relâmpago indicaram que os estados excitados singlete e triplete de menor energia estão localizados na porfirina, e que não há competição significativa de processos paralelos de supressão do estado excitado, por exemplo pelo mecanismo redox, apesar dos potenciais serem termodinamicamente favoráveis. Porém, pode haver transferência de carga do grupo derivado de anilina para a porfirina oxidada após a injeção de elétrons fotoinduzida para o filme de TiO2 nanocristalino, melhorando o processo de separação de cargas. Em suma, os materiais porfirínicos apresentam características adequadas e potencialidade para uso como fotossensibilizadores em dispositivos fotoeletroquímicos e fotovoltáicos. / A series of charge-transfer compounds constituted by anilline and Nalkylpyridynium derivatives as donor and acceptor groups was prepared and bond to the meso-position of a porphyrin to get a new series of supermolecular porphyrins, that were characterized by UV-Vis and fluorescence spectroscopy, cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry and flash-photolysis. The series of compounds were synthesized in the Prof. Silviu Balaban Lab, at the Forschungszentrum Karlsruhe Institute of Nanotechnology aiming the study of the properties coming out of the interaction of porphyrins and donor-acceptor charge-transfer complexes, particularly the influence of the molecular structure on the photophysical properties. The supermolecular porphyrins were designed using the antenna system of photosynthetic green bacteria as model, in order to obtain more efficient photosensitizers by enhancing the light harvesting efficiency of porphyrins incorporating the energy-transfer effect. In fact, the charge-transfer complexes bound to the porphyrin ring were shown to interact exclusively through energy-transfer, and the amide or esther used to bridge those components didnt influence significantly the efficiency of that process. The lowest excited state was found to be localized on the porphyrin ring in the singlet and triplet excited state, by fluorescence and flashphotolysis studies. More interestingly, the results indicated that there is no competition of parallel deactivation mechanisms, such as redox mechanism, even though the potentials are thermodynamically favorable. However, charge-transfer from the donor anilline derivatives to the oxidized porphyrin site can take place immediately after photoinduced injection of an electron to nanocrystalline TiO2, improving the charge-separation process. In conclusion, the supermolecular porphyrins exhibited suitable properties as photosensitizers in photoelectrochemical and photovoltaic devices.

O trabalho apresenta o desenvolvimento de células solares fotoeletroquímicas baseadas na sensibilização de n-TiO2 por corantes sintéticos e naturais. Abrange as etapas envolvidas na sua obtenção, desde a preparação dos compostos sensibilizadores, filmes semicondutores e meio eletrolítico, até a montagem e medidas de eficiência, com a otimização dos diversos componentes do sistema, num arranjo do tipo sanduíche. O fotoanodo consiste num filme de TiO2 nanocristalino sensibilizado pelo corante num substrato condutor. O contraeletrodo é composto de um substrato condutor recoberto com camada transparente de platina. Entre os eletrodos é disposta a camada de eletrólito, geralmente solução de l2/Lil em acetonitrila. A espessura do filme de semicondutor é controlada com os métodos empregados na deposição de sua dispersão. A transparência final depende ainda do método de preparação das dispersões. Utilizando as espécies cis-[(dcbH2)2RuLL\')2+, dcbH2 = 4,4\'-(CO2H)2-2,2\'bipiridina e L/L\' = cianopiridina, quinolina e H2O, como sensibilizador, obteve-se conversão eficiente de luz visível em eletricidade com valores de IPCE de até 50 % entre 400 e 550 nm. Os processos de transferência e recombinação de elétron na interface sensibilizador/semicondutor foram investigados por experimentos com técnicas resolvidas no tempo empregando sensibilizadores ancorados aos filmes transparentes de TiO2. O trabalho envolveu ainda incorporações técnicas para aumentar a eficiência da célula, como filamentos metálicos protegidos e a combinação de unidades independentes numa associação modular, que são objetos de patentes depositadas. / This work presents the development on photoelectrochemical solar cells based on sensitization of n-TiO2 by synthetic and natural dyes. It comprises several steps involved in the fabrication and assembling of the cells in a sandwich-type design. Preparation of sensitizers, semiconductor films and electrolyte media, as well as efficiency measurements and optimization of several components are presented. The photoanode consists of a dye-sensitized nanocrystalline n-TiO2 film onto a conductive substrate. The counterelectrode is a conductive substrate covered with a thin, transparent platinum layer. The electrolyte layer, usually l2/Lil in acetonitrile, is placed between the electrodes. The deposition process of the semiconductor dispersion onto the substrates regulates the resulting thickness of the film. The final transparency is also controlled by the procedure employed in the preparation of the semiconductor dispersion. The species cis-[(dcbH2)2RuLL\']2+, dcbH2 = 4,4\'-(CO2H)2-2,2\'-bipyridine and L/L\' = 4-cyanopyridine, quinoline and H2O, were employed as sensitizers resulting in IPCE (Incident Monochromatic Photon to Current Conversion Efficiency) values as high as 50 % from 400 to 550 nm. Electron transfer and recombination processes across the semiconductor/sensitizer interface were investigated with time-resolved experiments employing transparent films of n-TiO2 sensitized by the anchored species. Other approaches aiming improvements in efficiencies and the preparation of photoelectrochemical solar cells for different applications or through environmentally friendly processes are discussed. The use of protected metallic filaments and the modular arrangement of single cells are issues of patents.

Este trabalho relata a síntese, caracterização e a investigação das propriedades fotoluminescentes dos complexos &#946;-dicetonatos (TTA = 2-tenoiltrifluoroacetonato e DBM =dibenzoilmetanato) de terras raras trivalentes (TR3+ = Sm3+, Eu3+ e Gd3+) com diferentes ligantes amidas. Os compostos sintetizados foram caracterizados através das técnicas de microanálises de C, H, e N, espectroscopia de absorção na região do infravermellio e UV-Vis, titulação complexométrica com EDTA, análises termogravimétricas TG/DTG e difratometria de raios-X (métodos do pó e monocristal). Para os ligantes sintetizados, além das duas primeiras técnicas, estes foram caracterizados por Ressonância Magnética Nuclear de próton e carbono 13 (RMN lH e 13C) as quais certificaram suas obtenções e purezas. Os dados de microanálises de CHN e titulação- complexométrica foram concordantes com as fórmulas gerais [TR(TTA)3L2] (exceto [TR(TTA)3(DMFA)(H2O)] e [TR(TTA)3(PZA)]) e [TR(DBM)3L], onde L é um ligante amida. Os espectros de absorção na região do infravermelho evidenciaram o caráter anidro da maioria dos complexos e que a coordenação dos &#946;-dicetonatos e amidas aos íons TR3+ ocorre através dos átomos de oxigênio dos grupos carbonila. As curvas TG/DTG corroboraram os dados dos espectros IV no que se refere à ausência de água coordenada aos íons metálicos (exceto nos complexos precursores e nos [TR(TTA)3(DMFA)(H<sub<2O)]). Os difratogramas de raios-X (método do pó) sugerem a existência de séries isomorfa para cada ligante amida. O complexo [Eu(DBM)3(DMAC)] foi obtido na forma de cristais e sua estrutura foi resolvida pelo método de difração de raios-X de monocristais. Os resultados mostraram que este complexo cristaliza no sistema triclínico, em grupo espacial P-l, com os seguintes parâmetros de cela: a = 10,30&#197;· b = 10,46&#197;·c = 22,67&#197; &#945; = 78,97°; &#946; = 78,58°; &#947; = 63,01°. A primeira esfera de coordenação é descrita como um prisma trigonal monoencapusado, onde sete átomos de oxigênio encontram-se coordenados ao íon Eu3+. As propriedades fotoluminescentes dos íons Sm3+ e Eu3+ nos complexos foram investigadas a partir dos espectros de excitação, emissão e curvas de decaimento de luminescência. Os espectros de emissão desses complexos mostraram, principalmente, bandas finas oriundas das transições intraconfiguracionais-4fN 4G5/2 &#8594; 6H5/2, 7/2, 9/2, 11/2 (Sm3+)e 5D0 &#8594; 7F0, 1, 2, 3,4 (Eu3+), dominados pelas transições hipersensíveis 4G5/2 &#8594; 6H9/2 (~645 nm) e 5D0 &#8594; 7F2 (~612 nm). Os desdobramentos dessas transições, de um modo geral, estão concordantes com um ambiente químico de baixa simetria ao redor do íon TR3+. Com base nos dados espectrais foram determinados os parâmetros de intensidade &#937;2 e &#937;4, os coeficientes de emissão radiativa (Arad) e não-radiativa (Anrad) e a eficiência quântica de emissão experimental do nível 5D0 do íon Eu3+ (&#951;). Os complexos de DBM apresentam maiores valores de &#937;2 do que aqueles com TTA, refletindo um ambiente químico mais polarizável com maior caráter covalente da ligação Eu3+-DBM. Os valores dos parâmetros experimentais (&#951;Sm e &#951;Eu) dos complexos de Sm3+ e Eu3+ apresentaram uma boa correlação, evidenciando que a polarizabilidade em tomo do íon Sm3+ é semelhante àquela nos complexos com o íon Eu3+. Observou-se que os valores de eficiência quântica do estado emissor 5D0 (&#951;) aumentam quando as moléculas de água são substituídas pelos ligantes amidas. Esses resultados são devidos a uma diminuição significativa dos processos não radiativos (Anrad) pela ausência dos supressores O-H nos complexos com ligantes amidas. No entanto, no caso do complexo com PZA, foi observado um valor de Anrad grande, sugerindo um forte acoplamento dos osciladores N-H com o estado excitado 5D0. Os valores altos de rendimentos quânticos experimentais, qa, da maioria dos complexos indicam que a transferência de energia Ligante-Eu3+ é muito eficiente. É importante salientar que o complexo [Eu(TTA)3(DMBZ)2] apresenta um dos maiores valores de rendimento quântico experimental ( q = 82 %) da literatura para compostos de coordenação com o íon Eu3+. Os processos de transferência de energia Ligante-Eu3+ foram investigados por modelos teóricos SMLC (Sparkle Model for Lanthanide Complexes). A estrutura do complexo [Eu(DBM)3(DMAC)] apresentou boa concordância com aquela determinada experimentalmente através da técnica de difração de raios-X. De um modo geral, o poliedro de coordenação ao redor do íon Eu3+ nas estruturas teóricas está, também, concordante com o desdobramento das bandas associadas às transições 5D0 &#8594; 7FJ. Os dados das taxas de transferência de energia determinados utilizando um conjunto apropriado de equações de taxa concordaram muito bem com os dados experimentais evidenciando a viabilidade do modelo teórico nos estudos de compostos de coordenação com íons terras raras trivalente. O comportamento fotoluminescente exibido pelos complexos de európio evidencia que este sistema atua como Sistemas Moleculares Conversores de Luz. / This work reports the synthesis, characterization and investigations of photoluminescent properties of &#946;-diketonate complexes (TTA = 2-thenoiltrifluoroacetonate and DBM = dibenzoylmethanate) of trivalent rare earths (TR3+ = Sm3+, Eu3+ e Gd3+) with different amide ligands. The synthesized compounds were characterized by the fol1owing techniques: microanalyses of C, H, and N, absorption spectroscopy in the infrared region and UV-Vis, complexometric titration with EDTA, thermogravimetric analyses TG/DTG and X-rays diffraction (powder and single crystal methods). In case of ligands, besides the two first techniques, they were also characterized by Magnetic Nuclear Resonance of proton and carbon 13 (MNR 1H and 13C) which were according with the expected results and indicated the higher purity degree of these ligands. The elemental analyses data of C, H, and N, and complexometric titration suggested the general formulas [TR(TTA)3L2] (except for [TR(TTA)3(DMFA)(H2O)] and [TR(TTA)3(PZA)]) and [TR(DBM)3L], where L is amide ligand. The infrared spectra indicated that the complexes are anhydrous and that the coordination of &#946;-diketonates and amides to the TR3+ ions occurs via oxygen atoms. TG/DTG curves corroborate with the IR data suggesting the absence of water molecules coordinated to the metal ions (except for the case of the precursors and [TR(TTA)3(DMFA)(H2O)] complexes). Besides, these curves indicated that the amide complexes show a higher thermal stability (~150 °C). The XRD diffractograms (powder method) suggest the presence of one isomorphic series for each amide ligand. The [Eu(DBM)3(DMAC)] complex was obtained in the single crystal form to obtain its structure by rays-X diffraction (single crystal method). The structural results showed that this complex crystallize in a triclinic system, as a spatial group P-1, with the following cell parameters: a = 10.30 &#197;; b = 10.46 &#197;; c = 22.67 &#197;; &#945; = 78.97 °; &#946; = 78.58 °; &#947 = 63.01 °. The first coordination sphere is described as a monocapped trigonal prism, with seven oxygen atoms bonded to the Eu3+ ion (six from the &#946;-diketonate chelate and one from amide ligand). The photoluminescent properties of the Sm3+ and Eu3+ -complexes were investigated by the excitation, emission and luminescent decay curves, recorded at room and liquid nitrogen temperatures. The emission spectra of the complexes displayed mainly the narrow bands arising from 4f-intraconfigurational transitions 4G5/2 &#8594; 6H5/2, 7/2, 9/2, 11/2 (Sm3+) and 5D0 >&#8594; 7F0, 1, 2, 3,4, (Eu3+), dominated by the hypersensitive bands due to the transitions 4G5/2 &#8594; 6H9/2 (~645 nm) and 5D0 &#8594; 7F2 (~612 nm), respectively. The splits of these transitions agree with the presence of a chemical environment with the low symmetry around the TR3+ ion. The intensity parameters (&#937;2 and &#937;4), the radiative (Arad) and non-radiative decay rates and the quantum emission efficiency of the 5D0 were obtained by the quantitative analyses of the emission spectra of the Eu3+ -complexes. The &#937;2 values were higher for the DBM than for the TTA-complexes, reflecting that the chemical environment are more polarizable around Eu3+ ion in the complexes with DBM, indicating the highest covalent character of the Eu3+ -DBM bond. It was observed that the &#951; values were increased when the water molecules were replaced by the amide ligands. These results reflect the decrease of the non-radiative rates (Anrad), which is a consequence of the absence of the O-H quenchers. However, it was observed that the complex with PZA ligand presents Anrad as high as that value in the hydrated complex, suggesting strong coupling of the N-H oscillators with the excited level. The experimental quantum yield, qa, of the complexes of europium ion in the solid state present a good correlations with the quantum emission efficiency, &#951;, indicated a very efficient energy transfer Ligand-to-Eu3+. It is important to notice, that the qa value for the [Eu(TTA)3(DMBZ)] (q = 82 %) complex is among the highest values reported in the literature for the coordination compound with Eu3+ ion. The energy transfer processes from ligand to metal were investigated by the theoretical models SMLC (Sparkle Model for the Calculation of Lanthanide Complexes). The theoretical structure of the complex [Eu(DBM)3(DMAC)] agrees with that one determined experimentally by X-ray diffraction. It was also observed that the coordination polyhedron around the Eu3+ ion (in the theoretical structures) corroborates with the split of the bands assigned to the 5D0 &#8594; 7FJ transitions. The energy transfer rates determined by the appropriated rate equations agree with the experimental quantum yield, suggesting the viability of theoretical model on studies of the trivalent rare earth coordination compounds The photoluminescent behavior exhibited by the europium complexes indicates that this system acts as Light Molecular Conversion Systems.

Orientador: Flávio Leandro de Souza / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2013.

Este trabalho relata a síntese, caracterização e a investigação das propriedades fotoluminescentes dos complexos &#946;-dicetonatos (TTA = 2-tenoiltrifluoroacetonato e DBM =dibenzoilmetanato) de terras raras trivalentes (TR3+ = Sm3+, Eu3+ e Gd3+) com diferentes ligantes amidas. Os compostos sintetizados foram caracterizados através das técnicas de microanálises de C, H, e N, espectroscopia de absorção na região do infravermellio e UV-Vis, titulação complexométrica com EDTA, análises termogravimétricas TG/DTG e difratometria de raios-X (métodos do pó e monocristal). Para os ligantes sintetizados, além das duas primeiras técnicas, estes foram caracterizados por Ressonância Magnética Nuclear de próton e carbono 13 (RMN lH e 13C) as quais certificaram suas obtenções e purezas. Os dados de microanálises de CHN e titulação- complexométrica foram concordantes com as fórmulas gerais [TR(TTA)3L2] (exceto [TR(TTA)3(DMFA)(H2O)] e [TR(TTA)3(PZA)]) e [TR(DBM)3L], onde L é um ligante amida. Os espectros de absorção na região do infravermelho evidenciaram o caráter anidro da maioria dos complexos e que a coordenação dos &#946;-dicetonatos e amidas aos íons TR3+ ocorre através dos átomos de oxigênio dos grupos carbonila. As curvas TG/DTG corroboraram os dados dos espectros IV no que se refere à ausência de água coordenada aos íons metálicos (exceto nos complexos precursores e nos [TR(TTA)3(DMFA)(H<sub<2O)]). Os difratogramas de raios-X (método do pó) sugerem a existência de séries isomorfa para cada ligante amida. O complexo [Eu(DBM)3(DMAC)] foi obtido na forma de cristais e sua estrutura foi resolvida pelo método de difração de raios-X de monocristais. Os resultados mostraram que este complexo cristaliza no sistema triclínico, em grupo espacial P-l, com os seguintes parâmetros de cela: a = 10,30&#197;· b = 10,46&#197;·c = 22,67&#197; &#945; = 78,97°; &#946; = 78,58°; &#947; = 63,01°. A primeira esfera de coordenação é descrita como um prisma trigonal monoencapusado, onde sete átomos de oxigênio encontram-se coordenados ao íon Eu3+. As propriedades fotoluminescentes dos íons Sm3+ e Eu3+ nos complexos foram investigadas a partir dos espectros de excitação, emissão e curvas de decaimento de luminescência. Os espectros de emissão desses complexos mostraram, principalmente, bandas finas oriundas das transições intraconfiguracionais-4fN 4G5/2 &#8594; 6H5/2, 7/2, 9/2, 11/2 (Sm3+)e 5D0 &#8594; 7F0, 1, 2, 3,4 (Eu3+), dominados pelas transições hipersensíveis 4G5/2 &#8594; 6H9/2 (~645 nm) e 5D0 &#8594; 7F2 (~612 nm). Os desdobramentos dessas transições, de um modo geral, estão concordantes com um ambiente químico de baixa simetria ao redor do íon TR3+. Com base nos dados espectrais foram determinados os parâmetros de intensidade &#937;2 e &#937;4, os coeficientes de emissão radiativa (Arad) e não-radiativa (Anrad) e a eficiência quântica de emissão experimental do nível 5D0 do íon Eu3+ (&#951;). Os complexos de DBM apresentam maiores valores de &#937;2 do que aqueles com TTA, refletindo um ambiente químico mais polarizável com maior caráter covalente da ligação Eu3+-DBM. Os valores dos parâmetros experimentais (&#951;Sm e &#951;Eu) dos complexos de Sm3+ e Eu3+ apresentaram uma boa correlação, evidenciando que a polarizabilidade em tomo do íon Sm3+ é semelhante àquela nos complexos com o íon Eu3+. Observou-se que os valores de eficiência quântica do estado emissor 5D0 (&#951;) aumentam quando as moléculas de água são substituídas pelos ligantes amidas. Esses resultados são devidos a uma diminuição significativa dos processos não radiativos (Anrad) pela ausência dos supressores O-H nos complexos com ligantes amidas. No entanto, no caso do complexo com PZA, foi observado um valor de Anrad grande, sugerindo um forte acoplamento dos osciladores N-H com o estado excitado 5D0. Os valores altos de rendimentos quânticos experimentais, qa, da maioria dos complexos indicam que a transferência de energia Ligante-Eu3+ é muito eficiente. É importante salientar que o complexo [Eu(TTA)3(DMBZ)2] apresenta um dos maiores valores de rendimento quântico experimental ( q = 82 %) da literatura para compostos de coordenação com o íon Eu3+. Os processos de transferência de energia Ligante-Eu3+ foram investigados por modelos teóricos SMLC (Sparkle Model for Lanthanide Complexes). A estrutura do complexo [Eu(DBM)3(DMAC)] apresentou boa concordância com aquela determinada experimentalmente através da técnica de difração de raios-X. De um modo geral, o poliedro de coordenação ao redor do íon Eu3+ nas estruturas teóricas está, também, concordante com o desdobramento das bandas associadas às transições 5D0 &#8594; 7FJ. Os dados das taxas de transferência de energia determinados utilizando um conjunto apropriado de equações de taxa concordaram muito bem com os dados experimentais evidenciando a viabilidade do modelo teórico nos estudos de compostos de coordenação com íons terras raras trivalente. O comportamento fotoluminescente exibido pelos complexos de európio evidencia que este sistema atua como Sistemas Moleculares Conversores de Luz. / This work reports the synthesis, characterization and investigations of photoluminescent properties of &#946;-diketonate complexes (TTA = 2-thenoiltrifluoroacetonate and DBM = dibenzoylmethanate) of trivalent rare earths (TR3+ = Sm3+, Eu3+ e Gd3+) with different amide ligands. The synthesized compounds were characterized by the fol1owing techniques: microanalyses of C, H, and N, absorption spectroscopy in the infrared region and UV-Vis, complexometric titration with EDTA, thermogravimetric analyses TG/DTG and X-rays diffraction (powder and single crystal methods). In case of ligands, besides the two first techniques, they were also characterized by Magnetic Nuclear Resonance of proton and carbon 13 (MNR 1H and 13C) which were according with the expected results and indicated the higher purity degree of these ligands. The elemental analyses data of C, H, and N, and complexometric titration suggested the general formulas [TR(TTA)3L2] (except for [TR(TTA)3(DMFA)(H2O)] and [TR(TTA)3(PZA)]) and [TR(DBM)3L], where L is amide ligand. The infrared spectra indicated that the complexes are anhydrous and that the coordination of &#946;-diketonates and amides to the TR3+ ions occurs via oxygen atoms. TG/DTG curves corroborate with the IR data suggesting the absence of water molecules coordinated to the metal ions (except for the case of the precursors and [TR(TTA)3(DMFA)(H2O)] complexes). Besides, these curves indicated that the amide complexes show a higher thermal stability (~150 °C). The XRD diffractograms (powder method) suggest the presence of one isomorphic series for each amide ligand. The [Eu(DBM)3(DMAC)] complex was obtained in the single crystal form to obtain its structure by rays-X diffraction (single crystal method). The structural results showed that this complex crystallize in a triclinic system, as a spatial group P-1, with the following cell parameters: a = 10.30 &#197;; b = 10.46 &#197;; c = 22.67 &#197;; &#945; = 78.97 °; &#946; = 78.58 °; &#947 = 63.01 °. The first coordination sphere is described as a monocapped trigonal prism, with seven oxygen atoms bonded to the Eu3+ ion (six from the &#946;-diketonate chelate and one from amide ligand). The photoluminescent properties of the Sm3+ and Eu3+ -complexes were investigated by the excitation, emission and luminescent decay curves, recorded at room and liquid nitrogen temperatures. The emission spectra of the complexes displayed mainly the narrow bands arising from 4f-intraconfigurational transitions 4G5/2 &#8594; 6H5/2, 7/2, 9/2, 11/2 (Sm3+) and 5D0 >&#8594; 7F0, 1, 2, 3,4, (Eu3+), dominated by the hypersensitive bands due to the transitions 4G5/2 &#8594; 6H9/2 (~645 nm) and 5D0 &#8594; 7F2 (~612 nm), respectively. The splits of these transitions agree with the presence of a chemical environment with the low symmetry around the TR3+ ion. The intensity parameters (&#937;2 and &#937;4), the radiative (Arad) and non-radiative decay rates and the quantum emission efficiency of the 5D0 were obtained by the quantitative analyses of the emission spectra of the Eu3+ -complexes. The &#937;2 values were higher for the DBM than for the TTA-complexes, reflecting that the chemical environment are more polarizable around Eu3+ ion in the complexes with DBM, indicating the highest covalent character of the Eu3+ -DBM bond. It was observed that the &#951; values were increased when the water molecules were replaced by the amide ligands. These results reflect the decrease of the non-radiative rates (Anrad), which is a consequence of the absence of the O-H quenchers. However, it was observed that the complex with PZA ligand presents Anrad as high as that value in the hydrated complex, suggesting strong coupling of the N-H oscillators with the excited level. The experimental quantum yield, qa, of the complexes of europium ion in the solid state present a good correlations with the quantum emission efficiency, &#951;, indicated a very efficient energy transfer Ligand-to-Eu3+. It is important to notice, that the qa value for the [Eu(TTA)3(DMBZ)] (q = 82 %) complex is among the highest values reported in the literature for the coordination compound with Eu3+ ion. The energy transfer processes from ligand to metal were investigated by the theoretical models SMLC (Sparkle Model for the Calculation of Lanthanide Complexes). The theoretical structure of the complex [Eu(DBM)3(DMAC)] agrees with that one determined experimentally by X-ray diffraction. It was also observed that the coordination polyhedron around the Eu3+ ion (in the theoretical structures) corroborates with the split of the bands assigned to the 5D0 &#8594; 7FJ transitions. The energy transfer rates determined by the appropriated rate equations agree with the experimental quantum yield, suggesting the viability of theoretical model on studies of the trivalent rare earth coordination compounds The photoluminescent behavior exhibited by the europium complexes indicates that this system acts as Light Molecular Conversion Systems.

O trabalho apresenta o desenvolvimento de células solares fotoeletroquímicas baseadas na sensibilização de n-TiO2 por corantes sintéticos e naturais. Abrange as etapas envolvidas na sua obtenção, desde a preparação dos compostos sensibilizadores, filmes semicondutores e meio eletrolítico, até a montagem e medidas de eficiência, com a otimização dos diversos componentes do sistema, num arranjo do tipo sanduíche. O fotoanodo consiste num filme de TiO2 nanocristalino sensibilizado pelo corante num substrato condutor. O contraeletrodo é composto de um substrato condutor recoberto com camada transparente de platina. Entre os eletrodos é disposta a camada de eletrólito, geralmente solução de l2/Lil em acetonitrila. A espessura do filme de semicondutor é controlada com os métodos empregados na deposição de sua dispersão. A transparência final depende ainda do método de preparação das dispersões. Utilizando as espécies cis-[(dcbH2)2RuLL\')2+, dcbH2 = 4,4\'-(CO2H)2-2,2\'bipiridina e L/L\' = cianopiridina, quinolina e H2O, como sensibilizador, obteve-se conversão eficiente de luz visível em eletricidade com valores de IPCE de até 50 % entre 400 e 550 nm. Os processos de transferência e recombinação de elétron na interface sensibilizador/semicondutor foram investigados por experimentos com técnicas resolvidas no tempo empregando sensibilizadores ancorados aos filmes transparentes de TiO2. O trabalho envolveu ainda incorporações técnicas para aumentar a eficiência da célula, como filamentos metálicos protegidos e a combinação de unidades independentes numa associação modular, que são objetos de patentes depositadas. / This work presents the development on photoelectrochemical solar cells based on sensitization of n-TiO2 by synthetic and natural dyes. It comprises several steps involved in the fabrication and assembling of the cells in a sandwich-type design. Preparation of sensitizers, semiconductor films and electrolyte media, as well as efficiency measurements and optimization of several components are presented. The photoanode consists of a dye-sensitized nanocrystalline n-TiO2 film onto a conductive substrate. The counterelectrode is a conductive substrate covered with a thin, transparent platinum layer. The electrolyte layer, usually l2/Lil in acetonitrile, is placed between the electrodes. The deposition process of the semiconductor dispersion onto the substrates regulates the resulting thickness of the film. The final transparency is also controlled by the procedure employed in the preparation of the semiconductor dispersion. The species cis-[(dcbH2)2RuLL\']2+, dcbH2 = 4,4\'-(CO2H)2-2,2\'-bipyridine and L/L\' = 4-cyanopyridine, quinoline and H2O, were employed as sensitizers resulting in IPCE (Incident Monochromatic Photon to Current Conversion Efficiency) values as high as 50 % from 400 to 550 nm. Electron transfer and recombination processes across the semiconductor/sensitizer interface were investigated with time-resolved experiments employing transparent films of n-TiO2 sensitized by the anchored species. Other approaches aiming improvements in efficiencies and the preparation of photoelectrochemical solar cells for different applications or through environmentally friendly processes are discussed. The use of protected metallic filaments and the modular arrangement of single cells are issues of patents.

Uma série de compostos de transferência de carga baseado em derivados de anilina (grupo doador) e N-alquilpiridínio (grupo receptor) foi preparada e ligada à periferia do anel porfirínico, gerando uma nova série de porfirinas supermoleculares, que foram caracterizadas por espectroscopia eletrônica, voltametria cíclica, espectroeletroquímica, fluorescência e fotólise relâmpago. Os compostos foram preparados no laboratório do Prof. Silviu Balaban, no Instituto de Nanotecnologia do Forschungszentrum Karlsruhe, visando o estudo da interação entre a porfirina e aqueles compostos de transferência de carga, particularmente o efeito da estrutura molecular sobre as as propriedades fotoquímicas. As porfirinas foram projetadas tendo como modelo o sistema antena de algumas bactérias verdes fotossintéticas, visando obter fotossensibilizadores mais eficientes acoplando processos de transferência de energia (efeito antena) para o sítio porfirínico ativo, aumentando a eficiência de absorção/conversão na região do visível, melhorando assim o aproveitamento da energia solar. De fato, os sensibilizadores porfirínicos supermoleculares que foram objeto de estudo desta tese, apresentaram apenas um eficiente mecanismo de transferência de energia intramolecular para o grupo porfirínico; e as ligações amida ou éster utilizadas para ligar os grupos parecem não influenciar significativamente a eficiência do efeito antena. Os estudos de fluorescência e de fotólise relâmpago indicaram que os estados excitados singlete e triplete de menor energia estão localizados na porfirina, e que não há competição significativa de processos paralelos de supressão do estado excitado, por exemplo pelo mecanismo redox, apesar dos potenciais serem termodinamicamente favoráveis. Porém, pode haver transferência de carga do grupo derivado de anilina para a porfirina oxidada após a injeção de elétrons fotoinduzida para o filme de TiO2 nanocristalino, melhorando o processo de separação de cargas. Em suma, os materiais porfirínicos apresentam características adequadas e potencialidade para uso como fotossensibilizadores em dispositivos fotoeletroquímicos e fotovoltáicos. / A series of charge-transfer compounds constituted by anilline and Nalkylpyridynium derivatives as donor and acceptor groups was prepared and bond to the meso-position of a porphyrin to get a new series of supermolecular porphyrins, that were characterized by UV-Vis and fluorescence spectroscopy, cyclic voltammetry, spectroelectrochemistry and flash-photolysis. The series of compounds were synthesized in the Prof. Silviu Balaban Lab, at the Forschungszentrum Karlsruhe Institute of Nanotechnology aiming the study of the properties coming out of the interaction of porphyrins and donor-acceptor charge-transfer complexes, particularly the influence of the molecular structure on the photophysical properties. The supermolecular porphyrins were designed using the antenna system of photosynthetic green bacteria as model, in order to obtain more efficient photosensitizers by enhancing the light harvesting efficiency of porphyrins incorporating the energy-transfer effect. In fact, the charge-transfer complexes bound to the porphyrin ring were shown to interact exclusively through energy-transfer, and the amide or esther used to bridge those components didnt influence significantly the efficiency of that process. The lowest excited state was found to be localized on the porphyrin ring in the singlet and triplet excited state, by fluorescence and flashphotolysis studies. More interestingly, the results indicated that there is no competition of parallel deactivation mechanisms, such as redox mechanism, even though the potentials are thermodynamically favorable. However, charge-transfer from the donor anilline derivatives to the oxidized porphyrin site can take place immediately after photoinduced injection of an electron to nanocrystalline TiO2, improving the charge-separation process. In conclusion, the supermolecular porphyrins exhibited suitable properties as photosensitizers in photoelectrochemical and photovoltaic devices.

Uma nova série de porfirinas catiônicas e seus respectivos metalocomplexos de Zn(II) e Cu(II) foi sintetizada. Esta nova série apresenta resíduos benzílicos substituídos ligados aos grupos piridínicos presentes nas posições meso do anel porfirínico. Estes compostos foram caracterizados e investigados utilizando várias técnicas, tais como: espectroscopia eletrônica de absorção e de emissão, RMN-1H, espectroscopia vibracional IR e raman ressonante, voltametria cíclica, espectroeletroquímica e fotólise por pulso de laser. Não foram observadas evidências de auto-agregação destes compostos em água, entretanto, estes apresentam agregação diferenciada em função da força iônica do meio, do ânion do eletrólito utilizado e do tamanho do substituinte periférico. Os potenciais de redução apresentam dependência ao caráter aceptor/doador de elétrons dos substituintes benzílicos. As porfirinas desta série apresentam parâmetros fotofísicos da mesma ordem de grandeza e comparáveis ao composto modelo 5, 10, 15,20-tetrakis(1-metilpiridínio-4-il)-porfirina (H2TMPyP) e seus metaloderivados em meio homogêneo. Em meio microhetrogêneo são observadas alterações nestes parâmetros fotofísicos, existindo um comportamento diferenciado em relação à H2TMPyP. Uma análise global dos resultados evidência que estes derivados são promissores fotossensibilizadores em sistemas de terapia fotodinâmica. / A new series of cationic porphyrins and metalloporphyrins derivatives of Cu(II) and Zn(II) has been synthesized. These compounds show substituted benzylic residues attached to the piridil groups at the meso porphyrin ring positions. All porphyrins and metalloporphyrin have been fully characterized and investigated, employing approaches such as elemental analysis, electronic, vibrational and proton NMR spectroscopy, flash photolysis, and cyclic voltammetry. There is no evidence of self-aggregation of the porphyrin derivatives in pure water, however the addition of inorganic electrolytes to water solution induces aggregation in different extension, which depends on the nature of the electrolyte, the total ionic strength, and the benzylic substituent. Studies of cyclic voltammetry show that the reduction potentials are directly dependent on the electron donor/acceptor characteristics of the benzylic substituent and of the coordinated metal ion. All photophysical parameters investigated in homogeneous media are very similar through porphyrins and metalloporphyrins studied and are comparable to the model compound, the 5, 10, 15, 20-tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl)porphyrin (H2TMPyP). Therefore, in micro-heterogeneous media, the new series of porphyrins presents some differences in the photophysical parameters, when compared to the model compound. In conclusion, the present results reveal that these new cationic porphyrins can be useful as photosensitizers in photodynamic therapy.