Los sulfuros de metales de transición exhiben una amplia variedad de propiedades eléctricas y magnéticas que los hacen interesantes tanto en el ámbito científico como en el de las aplicaciones tecnológicas. En este trabajo se estudia, utilizando cálculos ab intio, la estructura electrónica y las propiedades de un conjunto de calcogenuros, la mayoría sulfuros de cobre complejos, para intentar relacionar su estructura electrónica con las propiedades de transporte electrónico y magnéticas. En el primer capítulo se presenta una metodología muy simple para asignar estados de oxidación de metales de transición en compuestos cristalinos que consiste en el análisis conjunto de las energías de los orbitales de core y la población de la capa d de valencia obtenidas en un cálculo de bandas. El método se ha aplicado con éxito a los sulfuros de cobre para los cuales es difícil establecer estados de oxidación de manera fiable a partir de datos experimentales y se ha extendido a compuestos de plata, en particular para elucidar los estados de oxidación de los metales en algunos óxidos mixtos de cobre y plata. Paralelamente se han estudiado también las propiedades magnéticas y electrónicas de CuFeS2 y CuS, dos sulfuros de cobre con propiedades eléctricas y magnéticas complejas para los que se encuentran ciertos datos contradictorios en la literatura. En particular, para la covelina, CuS, se han estudiado aspectos de su estructura electrónica con la finalidad de analizar si las interacciones débiles d10-d10 juegan un papel importante o no en la transición estructural que sufre este compuesto a baja temperatura y para CuFeS2 el trabajo se ha centrado en la determinación de las constantes de acoplamiento magnético para intentar explicar la curva compleja de susceptibilidad magnética que se encuentra para este compuesto. En la presente tesis también se incluye un estudio en el que se intenta predecir si los sulfuros cuaternarios laminares AFeCuS2 con estructura tipo ThCr2Si2 son capaces de soportar litio, tal como lo hacen los sulfuros cuaternarios con estructura CaAl2Si2. En este estudio también se explica porqué no es estable la estructura de tipo CaAl2Si2 cuando se elimina todo el litio de la fase laminar LiFeCuS2. Por último, se presenta un estudio de la estructura electrónica de los calcogenuros TaS3, NbSe3 y TaSe3. El compuesto NbSe3 es un conductor metálico para el cual hay cierta controversia en la literatura sobre si en su estructura de bandas hay cuatro o cinco bandas cruzando el nivel de Fermi. A raíz de un experimento reciente mediante la técnica ARPES en el que se muestra, sin lugar a dudas, que este compuesto presenta cuatro bandas que cruzan el nivel de Fermi hemos realizado un estudio pormenorizado de sus estructura electrónica junto a la de TaS, y TaSe3 en el que se pone de manifiesto que realmente solo hay cuatro bandas cruzando el nivel de Fermi pero que, debido a la importancia de las interacciones débiles Se•••Se que no se describen correctamente en la teoría del funcional de la densidad en algunos cálculos puede llegar a aparecer una quinta banda cruzando el nivel de Fermi. / In this thesis we have applied first principles electronic structure methods to study the electronic structure of several transition metal chalcogenides in order to establish the relation between their electronic structure and their electrical and magnetic properties. In the first chapter we develop a new strategy based on the simultaneous use of core orbital energies and valence d shell populations to establish oxidation states of transition metal atoms in complex solid state compounds. As a test case we have successfully applied this new method to copper sulfides and mixed copper-silver oxides. The second and third chapters are devoted to the study of the electronic structure of two copper sulphides, CuS and CuFeS2. For the first one, our analysis focuses on the role that weak d10•••d10 interactions may play in the structural phase transition exhibited by this compound, while for the latter our study deals with the evaluation of exchange coupling constants in order to understand its complex magnetic susceptibility curve. The thesis finishes with a chapter devoted to TaS3, NbSe3 y TaSe3, three pseudo 1D transition metal chalcogenides that have been extensively studied both from the theoretical and experimental points of views. Our main motivation has been the presentation of a recent ARPES study for NbSe3 where it is shown that there are only four bands crossing the Fermi level, a question that is unclear in the literature where in some cases the presence of a fifth band is suggested. Our study shows that indeed there are only four bands crossing the Fermi level, but that the weak Se•••Se interactions present in this structure, which are poorly described in DFT lead in some calculations to a fifth band crossing erroneously the Fermi level.

Los Salen [N, N'-bis(salicilideno)etilendiamina] son ligandos tetradentados lineales, sistemas N2O2-coordinados, que se obtienen de la reacción de condensación entre la diamina y los precursores(sustituidos)del salicilaldehído. Los complejos metálicos de salen combinan las ventajas típicas tales como la facilidad de la variación en las características estéricas y electrónicas, y el uso de estrategias modulares que permiten la manipulación de diferentes fragmentos de los sistemas de ligandos. Los complejos metálicos de salen son versátiles y han demostrado ser catalizadores eficaces para muchas conversiones asimétricas, incluyendo (ep)oxidaciones, reacciones de apertura de anillo de epóxidos y polimerizaciones estéreo-selectivas. Últimamente, los ligandos de salen con puentes de fenilo ("salphens" o "salophens", Esquema 1) y estructuras relacionadas, han empezado a llamar la atención debido a sus ventajas particulares con respecto a sus análogos de salen; estasestructuras representan sistemas de ligandos π-conjugados con propiedades fotofísicas ajustables, y son más rentables que los correspondientes ligandos de salen (quirales). Por estas razones, los sistemas salphen tienen un excelente potencial como pilares básicos en la ciencia de materiales, entre otras aplicaciones. Esquema 1. Representación esquemática de un ligando salphen que muestra el bolsillo de unión del metal N2O2y las diversas sustituciones posibles.También debe tenerse en cuenta que la geometría rígida alrededor del centro metálico, dictada por el ligando salphen, puede ser utilizada para manipular las propiedades tales como, el carácter ácido de Lewis del metal y por lo tanto se puede aplicar eficazmente para aumentar la reactividad del complejo resultante. Por lo tanto, el trabajo presentado en esta tesis se ha centrado en el estudio de propiedades de auto-ensamblaje y en el desarrollo de nuevas aplicaciones para los complejos de Zn(salphen).Los dos primeros capítulos (2 y 3) presentan estudios completos sobre el auto-ensamblaje de diferentes complejos de Zn(salphen) multinucleares, centrándose en el tipo y la intensidad de las interacciones involucradas.En el Capítulo 2 se describe la síntesis y caracterización de un complejo macrocíclico de tetra-Zn(salphen), utilizando una aproximación modelo del metal. El complejo macrocíclico de Zn muestra un fuerte auto-ensamblaje en comparación con una serie de compuestos de referencia/modelo.El proceso de auto-ensamblaje está mediado por la formación de unidades diméricas intermoleculares de Zn(salphen) que se mantienen unidos a través de puentes μ2-fenoxo (Esquema 2). Los experimentos de valoración competitiva UV-vis/fluorescencia sugieren que un aumento molecular del número de unidades de Zn(salphen) eselresponsable de una formación fuerte de agregados supramoleculares, y que la desagregación está acompañada por un fuerte efecto hipercrómico. El fuerte auto-ensamblajedel complejo macrocíclico de tetra-Zn(salphen) estátambién soportado por estudios de RMN, espectrometría de masas y estudios de microscopía electrónica de transmisión (TEM). Esquema 2.A la izquierda la estructura del complejo macrocíclico detetra-Zn(salphen), a la derecha, la naturaleza dimérica de auto-ensamblaje mostradapor las unidades estándar de Zn(salphen).El capítulo 3 representa un estudio sobre el auto-ensamblaje extremadamente fuerte de un complejo de bis-Zn(salphen) tanto en solución, así como en una interfase sólido-líquido. Las moléculas de bis-Zn(salphen) han demostrado auto-organizarse en agregados oligoméricos extremadamente estables(Figura 1), que no pueden ser disociados por la adición de ligandos donantes. Este comportamiento en la interfase líquido-sólido ha demostrado estar en excelente acuerdo con los estudios de soluciones: valoraciones competitivas con UV-Vis y fluorescencia, dispersión de luz dinámica (DLS) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). El análisis a nivel DFT llevado a cabo para el complejobis-Zn(salphen) muestra que opera un modo de unión inusual, y también racionaliza la alta estabilidad de las estructuras auto-ensambladas provocadas por motivos de coordinaciónoligomérica (ZnO)ndentro delconjunto (oligomérico). Este modo de coordinación es sorprendentemente diferente en comparación con los análogos mononucleares de Zn(salphen),los cuales forman estructuras diméricas que tienen una unidad central típica Zn2O2(Esquema 2 a la derecha). Por lo tanto, la alta estabilidad de la estructura multinuclear representa una gran promesa para el desarrollo de materiales de auto-ensamblaje estables con potencial para la obtención de nuevos materiales opto-electrónicos. Figura 1.A la izquierda,la estructura de los complejos de bis-Zn(salphen).En el centro, la imagen STM del agregado oligomérico; a la derecha, el modo de auto-ensamblaje del conjunto pentamérico muestra las cadenas oligoméricas (Zn-O)n entre las unidades de bis-Zn(salphen), (optimización en DFT).El capítulo 4reporta la síntesis de una nueva clase de complejos de Zn(II) de bases de Schiff que incorporan una unidad de fenazina en la cadena principal (designados como compuestos de "salphenazina"). Los complejos de salphenazina muestran propiedades fotofísicas interesantes, en comparación con los complejos de salen y salphen típicos, sin dejar de ser fácilmente sintetizados y ajustables. A partir de los datos de UV-Vis experimentales y teóricos, las bandas de absorción han sido asignadas a transiciones-* que están directamente influenciadas por el tipo de sustituyente presente en el armazón de la salphenazina (Figura 2). Por lo tanto, a través de una elección sensata de estos grupos, es posible obtener sistemas de propiedades fotofísicas deseados. Los Complejos de Zn(salphenazina) también han demostrado que tienen potencial aplicación en las células solares orgánicas de moléculas pequeñas (smOSCs), debido a su alta estabilidad y propiedades electrónicas adecuadas contra el aceptor C60. A pesar de que la eficiencia del dispositivo todavía no es competitiva, los complejos de Zn(salphenazina) muestran el potencial sintético para una mejora significativa sobre la base de la construcción modular de estos complejos foto-activos. Figura2. Estructura del complejo de Zn(salphenazina) (a la izquierda), y una transición-* seleccionada, representada por mapas de densidad electrónica diferencial EDDM (a la derecha).El capítulo 5reporta un estudio DFT detallado del mecanismo de reacción de la adición de expansión de anillo de CO2 a epóxidos, catalizada por un sistema binario compuesto por un complejo Zn(salphen) y NBu4X(X = Br, I). La reacción catalítica se ha estudiado en detalle describiendo sus tres pasos principales: la apertura del anillo del epóxido, la etapa de inserción de CO2 y un final cierre del anillo para la formación de carbonatos cíclicos de cinco miembros. Se examinó la etapa de apertura de anillo estableciendo la preferencia para la apertura del mismo en el carbono del metileno (C) o en el carbono del metino (C). También se exploró la inserción de CO2 y el cierre del anillo para seis distintos epóxidos sustituidos, resultando ser significativamente más difícil en comparación con la etapa de apertura del anillo. Los resultados combinados han ayudado a explicar anteriores observaciones experimentales y limitaciones del catalizador. Esquema 3.La adición de expansión de anillo de CO2 con epóxidos (substratos 1-6 usados en esta investigación) para la generación de carbonatos cíclicos de cinco miembros, usando el catalizador binario compuesto por Zn(salphen) (Cat) y NBu4X (X = I, Br). / “Salen” ligands are relatively planartetradentate, N2O2-coordinating ligand systems which are obtained by the condensation reaction of readily available diamine and (substituted) salicylaldehyde precursors. Metallosalen complexes combine a number of advantages such as ease of variation in steric and electronic features, and the use of modular strategies that enable manipulation of different fragments of the ligand systems. Metal-derived salen complexes are versatile and they have proven to be effective catalysts for many asymmetric conversions including (ep)oxidations, epoxide ring-opening reactions and stereo-selective polymerizations. Lately, phenyl-bridged salen ligands (designated as “salphens” or “salophens”, Scheme 1) and related structures have started to raise the attention of the scientific community due to their particular advantages over their salen analogues; they represent π-conjugated ligand systems with tuneable photophysical properties, and are more cost-effective than the corresponding (chiral) salen ligands. For these reasons, such salphen systems have excellent potential as building blocks in material science amongst other applications. Scheme 1.Schematic drawing of a salphen ligand showing the N2O2 metal binding pocket and the various possibilities for substitution thereof.It should also be noted that the rigid geometry around the metal centre, dictated by the salphen ligand, can be used to manipulate properties such as the Lewis acid character of the metal and therefore it can be effectively applied to increase the reactivity, substrate binding properties and self-assembly behaviour of the resulting complex. Thus, the work reported in this thesis has principally focused on the study of novel self-assembly features and patterns, and on the development of other new application ofZn(salphen) complexes.The first two chapters (2 and 3) present detailed studies on the self-assembly of different multinuclear Zn(salphen)s focusing on the type and the strength of the interactions involved. In Chapter 2the synthesis and characterization of a tetra-Zn(salphen) macrocycleusing a metal template approachis described. The macrocyclic Zn complex shows strong self-assembly in comparison to a number of reference/model compounds. The self-assembly process is mediated by the formation of intermolecular dimericZn(salphen) units that are held together via μ2-phenoxo bridges (Scheme 2). Competitive UV-Vis/fluorescence titration experiments suggest that a molecular increase of the number of Zn(salphen) units is responsible for the formation of more stable supramolecular aggregates, and de-aggregation is accompanied by a strong hyperchromic effect. The strong self-assembly behaviour of the tetra-Zn(salphen) macrocyclewas further supported by NMR, mass spectrometry and transmission electron microscopy (TEM) studies. Scheme 2. On the left, line drawing of the tetra-Zn(salphen) macrocycle; on the right,a dimeric self-assembled Zn(salphen) complex showing the involved ZnO coordinative bonds.Chapter 3represents a study on the extremely strong self-assembly of a bis-Zn(salphen) complex both in solution as well as at a solid-liquid interface. The bis-Zn(salphen) molecules are shown to self-organize into extremely stable, edge-on orientated oligomeric aggregates (Figure 1), which could not be dissociated by addition of (small amounts of) donating ligands. This behaviour at the liquid-solid interface has demonstrated to be in excellent agreement with solution studies: competitive UV-Vis and fluorescence titrations, dynamic light scattering (DLS) and transmission electron microscopy (TEM) experiments are also in line with a highly increased stability for the assembled state of these bis-Zn(salphen)s. DFT analysis carried out for thebis-Zn(salphen) shows that an unusual binding mode is operative, and also rationalizes the very high stability of the self-assembled structures provoked by oligomeric (ZnO)n coordination motifs within the (oligomeric) assembly. This coordination mode is strikingly different when compared with mononuclear Zn(salphen) analogues that form dimeric structures having a typical Zn2O2 central unit (Scheme 2 on the right). The high stability of the multinuclear structure therefore holds great promise for the development of stable self-assembled monolayers (SAMs) with potential for new opto-electronic materials. Figure 1.On the left, line drawing of the bis-Zn(salphen) complexes. In the central part, section of the STM image of an oligomeric aggregate; on the right, the most likely self-assembly mode of a pentameric assembly showing the (Zn-O)noligomeric chains between the individual bis-Zn(salphen) units (DFT optimization).Chapter 4reports the synthesis of a new class of Zn(II) Schiff base complex incorporating a phenazine unit in the backbone and is designated as “Zn(salphenazine)”. These Zn(salphenazine) complexes show interesting photophysical properties compared to typical salen and salphen complexes while remaining easily synthesized and tuneable. From the experimental and theoretical UV-Vis data, the absorption bands have been assigned to -* transitions which are directly influenced by the type of substituents present in the salphenazine scaffold (Figure 2). Therefore, by a judicious choice of these groups, it is possible to obtain systems with desired photophysical properties. Zn(salphenazine) complexes have also shown to have potential application in small molecule Organic Solar Cells (smOSCs) due to their high stability and adequate electronic properties against the acceptor C60. Even though the efficiency of the device is not competitive yet, Zn(salphenazine)s show the synthetic potential for significant improvement based on the modular construction of these photo-active complexes. Figure 2. Schematic drawing of a Zn(salphenazine) complex (on the left) and a selected -* transition represented with electron density difference map EDDM (on the right). Scheme 3.The ring-expansion addition of CO2 to epoxides (substrates 1-6 used in this investigation) generating five-membered cyclic carbonates using a binary catalyst composed of a Zn(salphen) component (cf., Cat) and NBu4X (X = I, Br).Chapter 5reports a detailed DFT study of the reaction mechanism of the ring-expansion addition of CO2to epoxides catalyzed by a binary catalyst comprising a Zn(salphen) complex and co-catalytic NBu4X (X=Br, I). The catalytic reaction has been studied in detail describing the three main steps involved: the epoxide ring-opening, the CO2 insertion step and a final ring-closurestep to afford the five-membered cyclic carbonate products. The ring-opening step of the process was examined and the preference for opening at the methylene (C) or methine carbon (C) was established. Also, the CO2 insertion and the ring-closing steps have been explored for six differently substituted epoxides and proved to be significantly more challenging compared with the ring-opening step. The combined results have helped to explain earlier experimental observations and catalyst limitations, and are useful for improved catalyst design and development.

Interest in organic molecule-based materials has extraordinarily grown in both the electronic and data storage industries. Specifically, research in the development of new plastic devices for technological proposes has emerged as they may provide lower manufacturing costs, more versatile synthetic processes and better mechanical properties (i.e. transparency, flexibility) than standard inorganic materials. However, in order to compete with these inorganic-based materials in terms of effectiveness, their conductive, magnetic and switchable characteristics must be improved, such that they can be applied as high-performance molecular conductors, magnets and memory devices. The physical properties of these organic materials not only depend on the nature of its constituent molecules (magnetic, biocompatible) but on how they organize in the solids (polymeric, amorphous, crystalline). Therefore, predicting and achieving a particular final behaviour is challenging and requires investigations on the structure-property relationships as well as on the nature of the chemical species. Over the last years, continuous effort has been done aimed at developing new purely organic-based materials with technologically relevant properties. Since Gomberg's synthesis of the triphenylmethyl neutral radical, a large variety of stable organic radicals have been reported, such as nitroxides, verdazyl-, phenoxyl-, phenalenyl-, dithiazolyl- and triazinyl-based compounds, as well as several functionalized radical ions based on tetracyanoethylene (TCNE), and tetrathiafulvalene (TTF+.) among others. These particular families of organic radicals can be used as versatile templates for the synthesis of new derivatives with improved characteristics by the introduction of different substituents into their basic skeleton. However, further progress in novel materials must be achieved through a rational design of new chemical structures. In this context, the available computational tools can substantially contribute to obtain the necessary knowledge of the factors controlling the final target physical properties, namely conductivity, magnetism and bistability, which are essentially dominated by the electronic structure of these materials. The work presented in this thesis is devoted to study different purely organic derivatives that have been shown to be promising for the development of new functional materials. In particular, the attention has been focused on three different families of organic radicals that present interesting physical properties as a consequence of a Tr-stacked radical-pair formation in the condensed phase, that is: (1) radical ions, (2) phenalenyl- and (3) triazinyl-based compounds. Overall, the present PhD thesis aims at contributing to the field of computational chemistry as well as to the understanding of the electronic properties that govern the Tr-dimerization of these systems, which, ultimately, determine their magnetic and switchable behaviour. / En els últims anys, s'ha fet un esforç continu per desenvolupar materials nous purament orgànics amb propietats tecnològicament rellevants. Des de la síntesi de Gomberg del radical neutre trifenilmetil, s'ha reportat una gran varietat de radicals orgànics estables, com ara els nitròxids, verdazils, fenoxils, fenalenils, ditiazolils i compostos basats en triazinil, així com diversos ions radicals funcionalitzats basats en tetracianoetilè (TCNE-•), i tetratiafulvalè (TTF1-.), entre d'altres. Aquestes famílies de radicals orgànics s'utilitzen per a la síntesi de nous derivats amb característiques millorades a partir de la introducció de diferents substituents en el seu esquelet bàsic. No obstant això, els avenços en nous materials s'han d'aconseguir a través d'un disseny racional de les noves estructures químiques. En aquest context, les eines computacionals disponibles poden contribuir substancialment a obtenir els coneixements necessaris sobre els factors que controlen les propietats físiques desitjades, a saber, la conductivitat, el magnetisme i la biestabilitat, dominades fonamentalment per l'estructura electrònica d'aquests materials. El treball presentat en aquesta tesi està dedicat a estudiar diferents derivats purament orgànics que han demostrat ser prometedors per al desenvolupament de nous materials funcionals. En particular, l'atenció s'ha centrat en tres famílies de radicals orgànics que presenten propietats físiques interessants com a conseqüència de la formació de parells de radical Tr, aquests són: (1) els ions radicals, (2) els fenalenils i (3) els compostos basats en triazinil. En global, aquesta tesi doctoral té com a objectiu contribuir al camp de la química computacional, així com a la comprensió de les propietats electròniques que regeixen la dimerització Tr d'aquests sistemes, que, en última instància, determina el seu comportament magnètic i commutable.

Las pilas de combustible están ya entrando en el mercado de consumo como fuentes de energía de dispositivos móviles y estacionarios. Son de especial interés las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) y de metanol directo (DMFC), aplicables a vehículos de transporte y a pequeña instrumentación, en las que el combustible preferido es el hidrógeno y el metanol, respectivamente. El hidrógeno se produce de forma económica mediante reformado, con lo que dicho combustible resulta acompañado de CO residual capaz de envenenar el platino que típicamente se usa como electrodo en las PEMFC. Se elimina parcialmente, pero su eliminación completa no es viable económicamente. Por otra parte, como resultado de la oxidación del metanol en las pilas DMFC, se produce CO como intermedio. El uso de catalizadores polimetálicos reduce el problema del envenenamiento del platino por CO y el del coste del platino, aunque normalmente con pérdida de prestaciones. De especial interés son los de estructura núcleo-corteza, en los que el núcleo es un metal de sacrificio que queda recubierto por una corteza de platino. En esta tesis se ha investigado en la síntesis y caracterización de nanopartículas de Pt(Cu) y de Pt−Ru(Cu) sobre carbón soporte Vulcan XC72R, uno de los carbones más comúnmente utilizados en las pilas PEMFC y DMFC. Para ello se procede a una electrodeposición de cobre sobre dicho carbón bajo diferentes condiciones, buscando que los núcleos de cobre sean de tamaño nanométrico. A continuación se realiza un intercambio galvánico del cobre por el platino por inmersión controlada en una 2− disolución de PtCl6 , consiguiendo así el catalizador Pt(Cu)/C. Sobre este último se realiza la deposición espontánea de especies de rutenio por inmersión en una disolución de sales de rutenio envejecidas, con el resultado de un recubrimiento parcial de la corteza de platino. Variables objeto de estudio han sido el potencial de oxidación del carbón, el potencial de la electrodeposición del cobre, la carga de cobre sobre el carbón, el tiempo de intercambio galvánico con el complejo de platino, el tiempo de deposición espontánea de las especies de rutenio y la velocidad de agitación de la disolución, esta última controlada mediante un electrodo de disco rotatorio (RDE). Para estudiar las prestaciones de los electrodos obtenidos se procedió a su caracterización electroquímica mediante las técnicas de la cronoamperometría, la voltamperometría lineal y la voltamperometría cíclica, las cuales permitieron obtener el rendimiento de la deposición del cobre, el área electroquímicamente activa (ECSA) y los potenciales característicos de la oxidación del CO y del metanol. Se estudiaron los mejores catalizadores mediante técnicas de caracterización estructurales. De esta forma, la microscopía electrónica de transmisión (TEM) y el TEM de alta resolución (HRTEM) permitieron obtener la distribución de tamaños de las nanopartículas así como su estructura, cuya naturaleza fue identificada por la transformada de Fourier (FFT) de las imágenes obtenidas. La composición química fue determinada mediante microanálisis por espectroscopía de dispersión de energía (EDS) así como por espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS). La aplicación de todas estas técnicas ha permitido optimizar las condiciones de preparación de los catalizadores de Pt(Cu)/C y de Pt−Ru(Cu)/C para sus mejores prestaciones cuando se aplican a la oxidación del CO y del metanol, con nanopartículas de catalizador de 3-4 nm. Se ha encontrado que los potenciales de oxidación del CO y del metanol son inferiores a los encontrados para los catalizadores de Pt/C y Pt−Ru/C, indicando su mayor reactividad, la cual se ha interpretado que se halla debida al efecto del núcleo de cobre sobre la estructura de la corteza de platino. Por otra parte, los microanálisis efectuados han puesto de manifiesto las mayores densidades de corriente específicas, referidas a la unidad de peso de platino, que se obtienen con los catalizadores estudiados. Ello supone un ahorro de entre un 40-50% de platino en dichos catalizadores. / The synthesis and characterization of Pt(Cu) and Pt−Ru(Cu) nanoparticles on Vulcan XC72R carbon support has been studied in this thesis for their possible application as anode catalysts in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) and direct methanol fuel cells (DMFC). They were obtained on the glassy carbon (GC) of the rotating disk electrode (RDE) in the following sequence: i) Cu electrodeposition; ii) galvanic 2− ; and iii exchange with PtCl6 ) spontaneous deposition of Ru species. The Pt(Cu)/C and the the Pt−Ru(Cu)/C catalysts were obtained after the steps ii and iii, respectively. The different variables studied in the synthesis process were the oxidation potential of carbon, the electrodeposition potential of Cu, the Cu load on carbon, the times for the galvanic exchange with Pt and for the spontaneous deposition of the Ru species, and the stirring rate, commanded through the rotation rate of the RDE. The catalysts were electrochemically tested by chronoamperometry, linear sweep voltammetry and cyclic voltammetry, thus allowing obtaining the current efficiency for the Cu electrodeposition, the electrochemical active area (ECSA), and the characteristic potentials for the CO and the methanol oxidation. The best catalysts were studied by means of transmission electron microscopy (TEM), high resolution TEM (HRTEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), electron diffraction, fast Fourier transform (FFT), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The application of these techniques allowed optimizing the preparation conditions of the catalysts when applied to the CO and methanol oxidation, with nanoparticle size about 3−4 nm. The oxidation potentials of CO and methanol were about 0.05−0.1 V lower than those measured on Pt/C and Pt−Ru/C, thus indicating their higher activity, due to the effect of the Cu core on the structure of the Pt shell. In addition, a Pt economy of about 40−50% was achieved when using the synthesized Pt(Cu)/C and Pt−Ru(Cu)/C catalysts.

Coordination Chemistry deals with the synthesis and study of the physicochemical properties of metal complexes. Cluster Chemistry is a subfield of Coordination Chemistry, which focuses on the functionalization of complexes in which two or more metal atoms are directly bonded. Over the past few years, Cluster Chemistry has attracted a growing interest among scientists from diverse areas, mainly due to the fascinating properties of these compounds. A historical evolution of the term cluster, as well as an outline of the role of coordinated ligands and structural types in the final properties of metal clusters are provided in Chapter 1. This PhD Thesis is devoted to the synthesis, characterization and applications of two families of group VI metal clusters containing dithiolene or diimine ligands, as detailed in Chapter 2. The synthetic approaches employed for the preparation of a series of dinuclear M2Q2S2 cluster chalcogenides (M = Mo, W; Q = O, or S) bearing bifunctional dithiolene ligands are described in Chapter 3. These metal clusters present great potential for the design of heterometallic systems. Chapter 4 is concerned with the preparation of an extensive family of mixed-ligand diimine-halide (or diimine-dithiolene) trinuclear molybdenum sulfides based on the Mo3S7 core. A great number of bipyridine and phenanthroline derivatives have been coordinated to these Mo3S7 units. The most important feature of the resulting cluster complexes of formula Mo3S7X4(diimine), where X = Cl, or Br, is their crystallization as [Mo3S7X4(diimine)·X]- aggregates, in which the sulfur axial atoms participate in non-bonding interactions with halide anions. The physicochemical properties of both series of metal clusters mentioned above are explored in Chapters 5 and 6. The luminescence properties of bis(dithiolene) M2Q2S2 clusters (M = Mo, W; Q = O, or S), together with those of Mo3S7 clusters functionalized with imidazophenanthroline ligands are detailed in Chapter 5. These diimine Mo3S7 complexes exhibit luminescent anion sensing behavior. The optical limiting capabilities of both series of compounds, namely M2Q2S2- and Mo3S7-based clusters, are also described in Chapter 5 with the aim of finding correlations between molecular structures and third-order nonlinear optical functions. Chapter 6 examines the electro- and photocatalytic activity of diimine Mo3S7 clusters immobilized on TiO2 nanoparticles toward the hydrogen evolution reaction. This study has been stimulated by the analogy between the structure of Mo3S7 and the catalytic active sites of MoS2 nanoparticles. The electrochemical properties of these TiO2 electrodes are assessed in two different media, that is, aqueous perchloric acid and sulfide-sulfite mixtures. The role of the diimine ligands in the adsorption process is also described in this Chapter. All experimental procedures employed in this work, together with the characterization of all compounds are presented in Chapter 7. Finally, the general conclusions of this PhD Thesis are provided in Chapter 8.

En aquesta Tesi demostrem com el clúster nonanuclear [Co9(H2O)6(OH)3(HPO4)2(PW9O34)3]16− (Co9) és actiu a l'estat sòlid com a catalitzador d'oxidació d'aigua. Precipitant el polioxometalat amb Cs+ s'obté una sal insoluble en aigua a temperatura ambient (CsCo9) que, mesclant-la amb pasta de carbó i incorporant-la dins d'un elèctrode, promou catàlisi heterogènia d'electròlisi d'aigua a pH7 amb una estabilitat remarcable inclús a pH1, on els òxids de cobalt són inestables, i amb una evolució d'O2 Faradaica. Aquesta sal també és activa en experiments conduïts per la llum, emprant un cromòfor i un oxidant de sacrifici a pH7. Els valors obtinguts de TON i TOF han sigut incrementats al doble utilitzant el cromòfor com a contracatió, sense la necessitat d'afegir cromòfor addicional a la dissolució. En ambdós casos, electroquímicament i als experiments conduïts per la llum, presentem evidències que descarten la participació d'òxid de cobalt com a catalitzador. Finalment, proposem un mecanisme de reacció plausible per la catàlisi d'oxidació d'aigua emprant polioxometalats substituïts amb cobalt mitjançant càlculs DFT. Estudiem aquest mecanisme amb dos polioxometalats tipus sandvitx [Co4(H2O)2(XW9O34)2]10- (X = P(V), V(V)), identificant la formació de l'espècie activa (POM-Co(III)-O·), la qual és un radical, com l'etapa limitant de la reacció electroquímica. Al nostre estudi computacional també hem sigut capaços d'explicar les diferències cinètiques observades experimentalment. / En esta Tesis demostramos cómo el clúster nonanuclear [Co9(H2O)6(OH)3(HPO4)2(PW9O34)3]16− (Co9) es activo en estado sólido como catalizador de oxidación de agua. Precipitando el polioxometalato con Cs+ se obtiene una sal insoluble en agua a temperatura ambiente (CsCo9) que, mezclada con pasta de carbono e incorporada en un electrodo, promueve catálisis heterogénea de electrólisis de agua a pH7 con una estabilidad remarcable incluso a pH1, donde los óxidos de cobalto son inestables, y con una evolución de O2 Faradaica. Esta sal también es activa en experimentos conducidos por luz empleando un cromóforo y un oxidante sacrificial a pH7. Los valores de TON y TOF obtenidos se han incrementado al doble simplemente utilizando el cromóforo como contracatión, sin necesidad de utilizar cromómoro adicional en la disolución. En ambos casos, electroquímicamente y en experimentos conducidos por luz, presentamos evidencias que descartan la participación de óxido de cobalto como catalizador. Finalmente, proponemos un mecanismo de reacción plausible para la catálisis de oxidación de agua empleando polioxometalatos sustituidos con cobalto con cálculos DFT. Estudiamos este mecanismo con dos polioxometalatos tipo sándwich [Co4(H2O)2(XW9O34)2]10- (X = P(V), V(V)), identificando la formación de la especie activa (POM-Co(III)-O·), la cual es un radical, como la etapa limitante de la reacción electroquímica. En nuestro estudio computacional también hemos sido capaces de explicar las diferencias cinéticas observadas experimentalmente. / In this Thesis we demonstrate how the nonanuclear [Co9(H2O)6(OH)3(HPO4)2(PW9O34)3]16− cluster (Co9) is active in the solid state towards water oxidation catalysis. Precipitation of the POM with Cs+ leads to an insoluble salt in water at room temperature (CsCo9) which, blended with carbon paste, and incorporated into an electrode, promote heterogeneous catalytic water electrolysis at pH7 with remarkable stability even at pH1, where cobalt oxide is unstable, and with Faradaic O2 evolution. This salt is also active under light-driven experiments employing a sensitizer and a sacrificial acceptor at pH7. The maximum turnover numbers and initial turnover frequencies are improved by 2-fold when employing the sensitizer as countercation, without the need of use sensitizer in the solution. In both, electrochemical and light-driven experiments, we present several lines of evidence to rule out the participation of cobalt oxide as catalyst. Finally, we propose a plausible reaction mechanism for water oxidation catalyzed with cobalt-containing polyoxometalates by means of DFT calculations. We study the mechanism with two sandwich polyoxometalates [Co4(H2O)2(XW9O34)2]10- (X = P(V), V(V)), identifying the formation of the active species (POM-Co(III)-O·), which is a radical species, as the overpotential-limiting step. The kinetic differences observed experimentally with both clusters for oxygen production are also identified in our computational study.

Aquesta tesi està centrada en l'estudi dels Keplerats, una família de polioxometalats amb simetria icosaèdrica. Els polioxometalats són clústers inorgànics aniònics formats per uniats MOn, on M és un metall de transició normalment en el seu estat d'oxidació més elevat. (Mo(VI), W(VI), V(V)...). Per una banda, l'estructura electrònica dels Keplerats s'ha estudiat des d'un punt de vista de la Teoría del Funcional de la Densitat (DFT). A més, s'ha analitzat la interacció entre la càpsula Mo132 i els seus corresponents lligands interns. Per altra banda, amb col·laboració amb altres grups, tant experimentals com teòrics, es proposa un mecanisme de formació de la càpsula Mo132 a partir de dades obtingudes mitjançant espectroscòpia Raman. Part d'aquesta informació obtinguda mitjançant DFT s'ha utilitzat per obtenir els paràmetres necessaris per portar a terme una sèrie de simulacions de Dinàmica Molecular amb la finalitat d'estudiar el comportament del macro-ió Mo132 en solució aquosa en presència de diferents cations (centrant-se en la importància de la hidrofobicitat del catió), així com els efectes de la temperatura en aquest comportament. / Esta Tesis está centrada en el estudio de Kepleratos, una familia de polioxometalatos con simetría icosaédrica. Los polioxometalatos son clusters inorgánicos anionicos compuestos por unidades MOn, donde M es un metal de transición normalmente en su estado de oxidación más alto (Mo(VI), W(VI), V(V)...). Por un lado, la estructura electrónica de los Kepleratos se ha estudiado desde un punto de vista de la Teoría del Funcional Densidad (DFT). Además, se ha analizado la interacción entre la cápsula Mo132 y sus correspondientes ligandos internos. Por otro lado, en colaboración con otros grupos, tanto experimental como teórico, se propone un mecanismo de formación de la cápsula Mo132 a partir de los datos obtenidos mediante espectroscopía Raman. Parte de la información obtenida mediante DFT se ha utilizado para obtener los parámetros necesarios para realizar una serie de simulaciones de Dinámica Molecular con el fin de estudiar el comportamiento del macro-ión Mo132 en solución acuosa en presencia de diferentes cationes (centrándose en la importancia de la hidrofobicidad del catión), así como los efectos de la temperatura en dicho comportamiento. / This Thesis is aimed at the study of a family of icosahedral symmetry polyoxometalates: the so-called Keplerates. Polyoxometalates are inorganic anionic clustters composed of MOn units, where M represents a transition metal atom usually at its highest state of oxidation Mo(VI), W(VI), V(V)...). On one hand, the electronic structure of Keplerates is studied from a Density Functional Theorey (DFT) point of view. Furthermore, the interaction between the Mo132 capsule and its inner ligands has been analyzed. On the other hand, in collaboration with both experimental and theoretical groups, a formation mechanism for the Mo132 capsule is proposed, based on Raman espectroscopy data. Part of the information achieved by DFT has been used to obtain the parameters required in order to perform Molcular Dynamics simulations regarding the behaviour of the Mo132 macro-ion in aqueous solution in the presence of different cations (focusing on the relevance of the hydrophobic character of teh cation), as well as the effects that temperature has on the system.

La aplicación de los métodos de la química computacional ha llevado a una mejor comprensión del mecanismo de la reacción de Pauson-Khand para la síntesis de ciclopentenonas, en especial en su variante enantioselectiva. Se han analizado tres métodos distintos para introducir enantioselectividad en esta reacción, que en su modelo original no es selectiva. Se han estudiado tres casos: a) la activación del catalizador convencional dicobalto octacarbonilo mediante un N-óxido quiral, b) la modificación de este mismo catalizador mediante la sustitución de dos ligandos carbonilo por una difosfina quiral, y c) la sustitución del catalizador dinuclear de cobalto por un catalizador mononuclear de rodio con ligandos quirales. El estudio teórico ha llevado a la caracterización de aspectos mecanísticos que son inaccesibles al estudio puramente experimental, y contribuye así al desarrollo de métodos catalíticos más eficientes para esta importante reacción. / The application of computational methods has lead to a better understanding of the mechanism of the Pauson-Khand reaction (PKR) for the synthesis of cyclopentenone compounds. In particular the enantioselective PKR has been considered. Different methods for inducing enantioselectivity in this originally unselective reaction have been analyzed. Three cases have been considered: a) Activation of the conventional dicobalt octacarbonyl catalyst by a chiral N-oxide, b) A modification of the dicobalt catalyst by means of a substitution of two carbonyl ligands by a chiral diphosphine ligand. and c) the substitution of the dinuclear cobalt catalyst by a mononuclear rhodium catalyst with chiral ligands. The theoretical study has lead to the characterization of mechanistic aspects that would be inaccessible from a purely experimental study. The study therefore contributes to the development of more efficient catalytic methods for this important reaction.

En esta tesis doctoral se han estudiado procesos fundamentales de reacciones de transferencia de carga en películas mesoporosas de dióxido de titanio sensitivizado con puntos cuánticos, en películas finas de mezclas polímero:puntos cuánticos y en dispositivos completos de mezclas del polímero PCPDTBT y puntos cuánticos de CdSe en operaciones de trabajo reales. Los resultados obtenidos permiten abordar la fabricación de dispositivos fotovoltaicos con un conocimiento de los procesos de recombinación que limitan la eficiencia de las celdas más amplio. Y por tanto, se demuestra la posibilidad de fabricar celdas solares basadas en puntos cuánticos con eficiencias iguales o superiores a los dispositivos fotovoltaicos orgánicos. / The fundamental processes of the charge transfer reactions between titania dioxide mesoporous films and quantum dots, in blend films of the semiconductor polymer P3HT and CdSe quantum dots and in complete devices fabricated with the polymer PDPCTBT and CdSe quantum dots in working conditions have been studied in this doctoral thesis. The obtained results allow the fabrication of photovoltaic devices with a deeper and wider knowledge of the recombination processes that limit the device efficiency. Therefore, it is demonstrated the possibility of fabrication of quantum dot based solar cells with efficiencies similar or higher than the organic photovoltaic devices.

The interaction between a membrane protein and its surrounding phospholipids is thought to be crucial for the correct folding and function of the protein. This thesis is focused on the investigation of the interplay between Lactose permease (LacY), a paradigm for secondary transporters present in the inner membrane of Escherichia coli and model systems mimicking its natural lipid environment. Since the role of phospholipids in LacY’s activity is currently being refined, this work represents a contribution to the field by studying the interaction at two different levels: (i) the LacY interplay with the phospholipids present at the annular region in the vicinity of the protein was studied through FRET measurements between a single-tryptophan LacY mutant and diverse pyrene-marked phospholipids, and (ii) the LacY interaction with the more distanced bulk phospholipids was studied through supported proteo-lipid sheets that were analysed using topography, force-spectroscopy and force-volume Atomic Force Microscopy modes. First, after validating LacY preference for phospholipid fluid (Lα) phases in the studied two-component model systems, a different composition between bulk and annular regions was confirmed. Hence, bulk lipids, which were assimilated to the phospholipids in Lα phase, were mainly formed by PG, while PE was the main component of the annular region. This points to a direct annular phospholipid-LacY selectivity because it discards a random phospholipid distribution near the protein. Second, the LacY selectivity for precise phospholipid species at the annular region was found to be related to: (i) a neutral charged phosholipid (PE or PC, with preference for the former), and (ii) phospholipids with large negative spontaneous curvature (C0) (DOPE > POPE). In addition, D68 was revealed as an important amino acid for the protein annular lipid selectivity. Third, the interaction between LacY and the bulk lipids was described as reciprocal. Accordingly, the presence of the protein largely modified the topography and the nanomechanics of the lipid system, especially for the Lα phase, whilst the nanomechanics of LacY itself were different depending on the surrounding lipid matrix: more force was needed to pull LacY form the DPPE:POPG (3:1, mol/mol) system than from the POPE:POPG (3:1, mol/mol) one. Therefore, the bilayer lipid composition seems to determine the forces governing the LacY tight interaction with the membrane and can be thus decisive for the protein correct insertion and activity. / La interacció entre una proteïna de membrana i els fosfolípids que l’envolten és crucial pel bon plegament i la correcta funció de la proteïna. Aquesta tesi està centrada en la investigació de la interacció entre la Lactosa permeasa (LacY), un paradigma dels transportadors secundaris situat a la membrana interna d’Escherichia coli, i sistemes models que mimetitzen el seu entorn lipídic. Aquest treball representa una contribució al camp a través de l’estudi de la interacció a dos nivells: (i) la interacció entre LacY i els fosfolípids presents a la regió anular propera a la proteïna ha estat estudiada a través de mesures de FRET entre un mutant de LacY amb un únic triptòfan i diversos fosfolípids marcats i (ii) la interacció entre LacY amb els fosfolípids més llunyans o bulk s’ha investigat a través de làmines de lípid i proteïna sobre un suport, les quals s’han analitzat a partir de diversos modes de microscòpia de força atòmica (topografia, espectroscòpia de força i force-volume). En primer lloc, s’ha validat la preferència de LacY pels fosfolípids en fases fluïdes (Lα). A més, s’ha confirmat una composició lipídica entre la regió anulars i el bulk. Així, els fosfolípids bulk, considerats com a fosfolípids en fase Lα, tenen PG com a principal component, mentre que PE és el major component de la regió anular. Això sembla indicar una selectivitat entre LacY i els fosfolípids anulars. En segon lloc, s’ha descrit que la selectivitat de LacY per fosfolípid determinat a la regió anular està relacionada amb (i) càrrega neutra i (ii) curvatura espontània (C0) negativa. A més, D68 s’ha assenyalat com un aminoàcid important per la selectivitat de la proteïna envers els lípids anulars. Finalment, s’ha descrit una interacció recíproca entre LacY i els lípids bulk. Així, la presencia de la proteïna modifica la topografia i la nanomecànica del sistema lipídic, especialment de la fase Lα, i, alhora, la nanomecànica de la pròpia LacY varia segons la matriu lipídica que l’envolta. En conseqüència, la composició lipídica de la bicapa sembla determinar les forces que governen l’estreta interacció de LacY amb la membrana i, per tant, aquesta composició és decisiva per la correcta inserció i activitat de la proteïna.