H ιδέα της παρούσας μεταπτυχιακής ερευνητικής εργασίας βασίζεται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοαποικοδόμηση οργανικών ρύπων, μέσω φωτοηλεκτροχημικών κυψελίδων(PECs). Mε τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η κατανάλωση των οργανικών ουσιών και η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο σκοπός της εργασίας ήταν η παρασκευή, ο χαρακτηρισμός, η μελέτη φωτοευαίσθητων ηλεκτροκαταλυτών και η μορφοποίηση τους σε ηλεκτρόδια, των οποίων εξετάστηκε και αναλύθηκε η φωτοηλεκτροχημική τους συμπεριφορά. Η φωτοηλεκτροχημική κυψελίδα αποτελείται από τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου, τα οποία φέρουν το φωτοκαταλύτη και τον ηλεκτροκαταλύτη αντίστοιχα. Εξαιτίας του n-τύπου ημιαγωγού που φέρει η φωτοάνοδος καθώς και της πρόσπτωσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πάνω στον ημιαγωγό, παρατηρείται η απορρόφηση φωτονίων και ο σχηματισμός ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών. Η διαδικασία απορρόφησης ενός φωτονίου,για τη δημιουργία φωτοφορέων,απαιτεί το ποσό ενέργειας του φωτονίου να είναι μεγαλύτερο ή ίσο από/με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. O ρυθμός επανασύνδεσης των φωτοπαραγόμενων ηλεκτρονίων και οπών περιορίζεται, με τη χρήση «θυσιαζόμενων ενώσεων», οι οποίες μπορεί να είναι δέκτες ή δότες ηλεκτρονίων. Με τον τρόπο αυτό προκαλούνται στην επιφάνεια του ημιαγωγού μη αντιστρεπτές αντιδράσεις, όπως οξείδωση των φωτοπαραγόμενων οπών, ώστε οι διαθέσιμοι φορείς φορτίου να ξεκινήσουν τις οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις. Παράδειγμα, τέτοιων θυσιαστήριων ενώσεων αποτελεί η μεθανόλη, η οποία χρησιμοποιήθηκε στη συγκεκριμένη ερευνητική εργασία. Ως φωτοκαταλύτες χρησιμοποιήθηκαν η νανοκρυσταλλική τιτανία, TiO2 και ο σύνθετος ημιαγωγός TiO2/CdS, ο οποίος και παρασκευάστηκε με τη μέθοδο SILAR. Συγκεκριμένα το διοξείδιο του τιτανίου είναι η εμπορικά διαθέσιμη Degussa P-25, με αναλογία ανατάση:ρουτηλίου 3:1. Ως ηλεκτροκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικός καταλύτης Pt (30%)/C, πάνω σε αγώγιμο ύφασμα άνθρακα (Carbon Cloth). Η μελέτη των ηλεκτροδίων πραγματοποιήθηκε σε κατάλληλους φωτοηλεκτροχημικούς αντιδραστήρες, που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν από τον κ. Λιανό για το σκοπό αυτό, ενώ έγινε χρήση λαπτήρα προσομοίωσης ορατής και υπεριώδους ακτινοβολίας. Η νανοκρυσταλλική τιτανία (ΤiO2) ως φωτοκαταλύτης, έχει ενεργειακό χάσμα 3,2eV και απορροφά φωτόνια μόνο στο υπεριώδες φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για την αντιμετώπιση του ζητήματος αυτού, τοποθετήθηκε ευαισθητοποιητής θειούχου καδμίου (Csd) του οποίου το ενεργειακό χάσμα είναι 2,42eV και ενεργειακά έχει υψηλότερη στάθμη, από το διοξείδιο του τιτανίου, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόκρισης στο ορατό φάσμα. Η ορατή ακτινοβολία απορροφάται από τον φωτοευαισθητοποιητή, ο οποίος διεγείρεται και εφόσον το ενεργειακό επίπεδο του διεγερμένου ηλεκτρονίου είναι ηλεκτραρνητικότερο από τη στάθμη αγωγιμότητας του TiO2, μεταπηδά στο TiO2 και συμμετέχει στην φωτοηλεκτροχημική διαδικασία. Η οπή που διαχωρίζεται από το διεγερμένο ηλεκτρόνιο, παραμένει στον φωτοευαισθητοποιητή και συμμετέχει σε αντιδράσεις οξείδωσης. Η ποιότητα και η αποτελεσματικότητα της καθόδου, παίζει εξίσου σπουδαίο ρόλο με εκείνη της ανόδου. Η απόδοση των φωτοηλεκτρικών κυψελίδων ελέγχεται μέσω του συντελεστή πληρότητας (Fill Factor), ο οποίος φαίνεται να παρουσιάζει μεγαλύτερη τιμή όσο αυξάνονται οι επιφάνειες των ηλεκτροδίων της ανόδου και της καθόδου, ενώ βέλτιστη απόδοση της φωτοηλεκτροχημικής κυψελίδας έχει επιτευχθεί με τη χρήση ηλεκτροδίου Carbon Cloth εμπλουτισμένου με νανοσωματίδια Pt (0.5mg Pt/cm2). Οι κυριότερες κατηγορίες των οργανικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται ως οργανικοί ρύποι είναι οι αλκοόλες, οι πολυόλες και τα οξέα, ενώ στην παρούσα εργασία πιο αποδοτική φάνηκε να είναι η χρήση της μεθανόλης. / The idea behind this master’s degree thesis is based on the production of electrical energy through photo-degradation of organic emissions using photo-electrochemical cells. This way the consumption of the organic emissions and the conversion of the solar power to electricity are achieved. This thesis was aiming at the production, the characterization and the study of photosensitive electrocatalysts and turning them into electrodes, whose electrochemical behavior was studied and analyzed. The photo-electrochemical fuel cell is composed of the anode and cathode electrodes, who bare the photocatalyst and electrocatalyst respectively. Due to the n-type semiconductor on the photo-anode and its exposure to electromagnetic radiation, consumption of photons is observed and hole-electron pairs are formed. The energy of the incoming photon needs to be higher than the band gap of the semiconductor, for it to be absorbed and carriers to be created. The recombination rate of those carriers is reduced by using sacrificial agents or hole scavengers, which can be donors or acceptors of electrons. This way non- reversible reactions are achieved. Example of those is methanol, which was used in the present thesis. As photo-catalysts nanocrystals of titanium oxide and the composite semiconductor TiO2/CdS were used. The electro-catalyst Pt/C on carbon cloth was utilized. The study of the electrodes was performed used photo-electrochemical reactors designed by Prof. Lianos in combination with lamps simulating the solar spectrum. The nanocrystals of titanium oxide have a band gap of 3.2eV (in the UV region) which is the reason why CdS was deposited on top. The later has a band gap of 2.42eV and so increases the absorption in the visible region of the spectrum. The visible radiation is absorbed by the CdS layer and since the excited electron in more electronegative than the conduction band of the titanium oxide, it lowers its energy by hopping to the titanium oxide layer and participates in the photo-electrochemical procedure. The hole that’s left behind in the CdS layer is participating in the oxidation reactions. The performance of the photoelectrical cells was calculated through the fill factor and has an increasing value for increasing area of the electrodes. The optimum performance of the photoelectrochemical fuel cell was achieved by using a carbon cloth electrode enriched with Pt (0.5mg Pt/cm2). The primary categories of organic compounds used as organic emissions are alcohols, polyols and acids. The optimum performance was achieved by using methanol.

Artificial photosynthesis is often considered to have great potential to provide alternative, renewable fuels by harvesting, conversion and storage of solar energy. One promising approach is the development of modular molecular photocatalysts inspired by natural photosynthetic enzymes. The first part of this thesis deals with artificial mimics of the water oxidizing photosystem II composed of a chromophore and an electron relay as synthetic counterpart of the P680-TyrZ/His190 ensemble of photosystem II. Three ruthenium polypyridyl - imidazole - phenol complexes with varying position of a methyl group on the phenol ring (Ru-xMe) were synthesized and characterized by electrochemical and photophysical methods. As an improvement compared to earlier complexes the increased redox potential (~0.9 V vs. Ferrocene) of the phenol groups makes their function as an electron relay in a photocatalytic system for water oxidation thermodynamically possible. Time-resolved absorption studies revealed fast intramolecular electron transfer (<5-10 µs in aprotic solvent and <100 ns in water) despite the low driving force and the importance of the hydrogen bond between the phenol and the imidazole group was put in evidence. Slight differences between the three Ru-xMe complexes and investigation of the effect of external bases allowed to derive a mechanistic picture in which the imidazole is involved in a "proton domino" reaction. Accepting the phenolic proton upon ligand oxidation (within the H-bond) renders its second nitrogen site more acidic and only deprotonation of this site pulls the overall equilibrium completely towards oxidation of the ligand. Another part of this thesis comprises a chromophore-tryptophan construct synthesized using a click chemistry approach. Light-induced oxidation of Trp in this Ru-tryptophan complex was shown to follow ETPT mechanism. Depending on the pH conditions tryptophan radicals, either Trp* or TrpH*⁺ were detected and spectral measurement at different time showed the transition between the two forms. Deprotonation of the radical was dependent on the concentration of water as proton acceptor. Later part of the thesis deals with efforts to covalently bind a catalytic unit to the previously characterized chromophore-electron relay module. The click chemistry approach was not successful to obtain the final photocatalytic assembly. Therefore bimolecular activation of a Mn salen catalyst was performed and formation of Mn(IV) species was observed. As a step towards utilization of these types of photocatalysts in a photoelectrochemical cell a [Ru(bpy)₃]²⁺ chromophore with phosphonate anchoring groups (Ru-Phosphonate) was synthesized and grafted on the surface of a TiO₂ mesoporous semiconductor surface anode to perform photocurrent measurements.

PhD. (Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering and Technology), Vaal University of Technology. / The use of solar photocatalysis for the treatment of aromatic chemicals like phenol in wastewater has attracted significant attention due to the low cost of sunlight. However, sunlight is unreliable since its intensity fluctuates during the day. This drawback can be addressed by supplementing sunlight with artificial UV lamps when the solar intensity reduces. In this work, such a hybrid solar/UV lamp reactor, internally illuminated by the UV lamp and externally by sunlight, was designed. Phenol was used as the model pollutant and the nanophase Aeroxide P25 TiO2 was employed as the photocatalyst and fluidized by compressed air. The catalyst and bubble distribution in the reactor was analysed using computational fluid dynamics (CFD) while the Monte Carlo (MC) method was used to model the light distribution and reaction kinetics. Finally, a lamp controller was designed to specify the required UV lamp output as a function of the solar intensity. The CFD simulation using ANSYS CFX 17 showed that a fairly homogeneous distribution of the catalyst was achieved in the reactor. Consequently, accurate simulations of the light distribution could be achieved without considering the hydrodynamics. The MC models revealed that bubbles did not significantly influence light absorption at the optimum catalyst loading. This showed that air was a good medium for fluidization as it could provide good mixing and oxygen electron acceptor without negatively affecting light absorption. The forward scattering behaviour of the P25 TiO2 and the increase in light attenuation with catalyst loading was confirmed in this work. The optimum catalyst loading in the different reactor configurations was 0.15 g/L (tubular solar), 0.2 g/L (annular solar), 0.4 g/L (annular UV lamp), and 0.4 g/L (hybrid light). This resulted in experimental reaction rates of 0.337 mgL-1min-1 (tubular solar), 0.584 mgL-1min-1 (annular UV lamp), and 0.93 mgL-1min-1 (hybrid light). An analysis of the local volumetric rate of energy absorption (LVREA) and reaction rate profiles along the radial coordinate showed a non-uniformity which worsened with an increase in catalyst loading. The reaction order with respect to the volumetric rate of energy absorption (VREA) indicated that solar illumination resulted in a higher electron-hole recombination as compared to UV illumination. This, combined with the higher intensity of the UV lamp, resulted in a higher reaction rate under UV light as compared to sunlight, demonstrating that the UV lamp could be used to supplement sunlight. For a typical sunny day, a lamp controller was designed that could adjust the UV lamp output as a function of the solar intensity to maintain the reaction rate at a reference level while ensuring less energy consumption than an ON/OFF lamp controller. This work demonstrated the feasibility of hybrid solar/UV lamp photocatalysis reactor which could maintain the advantages of solar photocatalysis while mitigating its drawbacks.

[ES] La presente tesis doctoral aborda el almacenamiento y producción de hidrógeno verde en compuestos químicos, tales como el metanol, ácido fórmico o en heterociclos aromáticos nitrogenados, mediante el desarrollo de (foto)catalizadores que sean eficientes para la formación de estos compuestos orgánicos líquidos por hidrogenación selectiva del CO2 o para la liberación de hidrógeno. Ambos tipos de procesos son necesarios para la implementación del H2 verde como vector energético sin huella de carbono. De esta manera el objetivo común a todos los capítulos de la presente Tesis es el desarrollo (foto)catalizadores innovadores que exhiban una mayor actividad y selectividad en estos procesos respecto al estado del arte y que operen en condiciones más convenientes. Específicamente las reacciones estudiadas han sido la hidrogenación selectiva de CO2 a metanol, ciclos de hidrogenación/deshidrogenación del N-etilcarbazol y de sus derivados parcial o totalmente hidrogenados, el reformado en fase acuosa del metanol y la fotodescarboxilación del ácido fórmico. La tesis describe la preparación, estudio de actividad y estabilidad, la determinación de los centros activos y cálculos sobre los mecanismos de reacción para estos procesos. Mediante una estructura de introducción, discusión de resultados y conclusión desde el capítulo III al capítulo VII se describe de manera exhaustiva y mediante una discusión amplica los procesos (foto) catalíticos (ensayos catalíticos, estudios de mecanismo de reacción, descripción de (foto)catalizadores) llevados a cabo para lograr los objetivos. Los detalles experimentales, la síntesis de los materiales y los procedimientos de reacción se indican en el capítulo VIII de la Tesis. Finalmente el capítulo IX resume las conclusiones a las que se ha llegado en el presente estudio y que representa un avance sustancial respecto al estado del arte. / [CA] La present tesi doctoral aborda l'emmagatzematge i producció d'hidrogen verd en compostos químics, com ara el metanol, àcid fòrmic o en heterocicles aromàtics nitrogenats, mitjançant el desenvolupament de (foto)catalitzadors que siguen eficients per a la formació d'aquests compostos orgànics líquids per hidrogenació selectiva del CO2 o per a l'alliberament d'hidrogen. Ambdós tipus de processos són necessaris per a la implementació de l'H2 verd com a vector energètic sense petjada de carboni. D'aquesta manera, l'objectiu comú a tots els capítols de la present tesi és el desenvolupament de (foto)catalitzadors innovadors que exhibisquen una major activitat i selectivitat en aquests processos respecte a l'estat de l'art i que operen en condicions més convenients. Específicament, les reaccions estudiades han sigut la hidrogenació selectiva de CO2 a metanol, cicles d'hidrogenació/deshidrogenació del N-etilcarbazol i dels seus derivats parcialment o totalment hidrogenats, la reformació en fase aquosa del metanol i la fotodescarboxilació de l'àcid fòrmic. La tesi descriu la preparació, estudi d'activitat i estabilitat, la determinació dels centres actius i càlculs sobre els mecanismes de reacció per a aquests processos. Mitjançant una estructura d'introducció, discussió de resultats i conclusió des del capítol III fins al capítol VII es descriu de manera exhaustiva i mitjançant una discussió àmplia els processos (foto)catalítics (assaigs catalítics, estudis de mecanisme de reacció, descripció de (foto)catalitzadors) realitzats per a aconseguir els objectius. Els detalls experimentals, la síntesi dels materials i els procediments de reacció s'indiquen en el capítol VIII de la tesi. Finalment, el capítol IX resumeix les conclusions a les quals s'ha arribat en el present estudi i que representa un avanç substancial respecte a l'estat de l'art. / [EN] This doctoral thesis addresses the storage and production of green hydrogen in chemical compounds such as methanol, formic acid, or nitrogenous aromatic heterocycles, through the development of (photo)catalysts that are efficient for the formation of these liquid organic compounds by selective hydrogenation of CO2 or for the release of hydrogen. Both types of processes are necessary for the implementation of green H2 as a carbon-free energy vector. Thus, the common objective of all chapters in this thesis is the development of innovative (photo)catalysts that exhibit greater activity and selectivity in these processes compared to the state of the art and that operate under more convenient conditions. Specifically, the reactions studied were the selective hydrogenation of CO2 to methanol, hydrogenation/dehydrogenation cycles of N-ethylcarbazole and its partially or fully hydrogenated derivatives, aqueous phase reforming of methanol, and photodecarboxylation of formic acid. The thesis describes the preparation, activity and stability studies, determination of active sites, and calculations on the reaction mechanisms for these processes. Through a structure of introduction, discussion of results, and conclusion from Chapter III to Chapter VII, the (photo)catalytic processes (catalytic tests, reaction mechanism studies, description of (photo)catalysts) carried out to achieve the objectives are exhaustively described and thoroughly discussed. The experimental details, synthesis of materials, and reaction procedures are indicated in Chapter VIII of the thesis. Finally, Chapter IX summarizes the conclusions reached in the present study, which represents a substantial advance over the state of the art / García Baldoví, A. (2024). Catálisis para el almacenamiento y generación de hidrógeno [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/208436

La photosynthèse artificielle est considérée comme étant un atout capable de fournir des carburants alternatifs et renouvelables par conversion et stockage de l'énergie solaire. Une approche prometteuse consiste en un développement de photo-catalyseurs moléculaires inspirés par des enzymes photosynthétiques naturelles. La première partie de cette thèse concerne les modèles artificiels du photosystème II (qui catalyse l'oxydation d'eau), composé d'un chromophore et d’un relais d’électrons comme équivalent synthétique correspondant à l'ensemble P680-TyrZ/His190 du photosystème II. Trois complexes ruthénium polypyridyl - imidazole - phénol avec un groupe méthylique à différentes positions sur l'anneau phénolique (Ru-xMe) ont été synthétisés et caractérisés par des méthodes électrochimiques et photophysiques. L’augmentation, comparée aux complexes précédents, du potentiel redox des groupes phénols (0.20 V->0.9 V par rapport à l’électrode de ferrocène) rend leur fonction de relais d’électron dans un système photocatalytique pour l'oxydation d'eau thermodynamiquement possible. Des études d’absorption transitoire ont révélé que le transfert d’électron intramoléculaire est rapide (5-10 µs dans solvant aprotique et < 100 ns dans l'eau) malgré la faible force motrice, mettant en evidence l'importance de la liaison hydrogène entre le phénol et le groupe imidazole. Les légères différences entre les trois complexes Ru-xMe ainsi que l’étude de l'effet de bases externes nous ont permis d’établir un mécanisme dans laquelle l'imidazole est impliqué dans une réaction de transfert de proton en cascade. L'acceptation du proton phénolique durant l'oxydation du ligand rend son deuxième site azote plus acide et seulement la déprotonation de ce dernier bascule l’équilibre réactionnel complétement vers l'oxydation du ligand. La deuxième partie de cette thèse consiste en la synthèse d’un complexe chromophore-tryptophane en utilisant une approche de chimie dite « click ». On a montré que l'oxydation, induite par la lumière, du Trp au sein du complexe Ru-tryptophane suit un mécanisme ETPT. Selon le pH, les radicaux du tryptophane (Trp• ou TrpH•⁺) ont été détectés et les mesures spectrales à différents temps ont montrés la transition entre les deux formes radicalaires. La déprotonation du radical dépend de la concentration d'eau assurant la fonction d’accepteur de proton. La dernière partie de la thèse concerne nos efforts à lier, par une liaison covalente, une unité catalytique au module de chromophore- relais électronique caractérisé précédemment. L'approche de chimie « click » n’était pas efficace pour l’obtention de l’assemblage photocatalytique final. Donc, l'activation biomoléculaire d'un catalyseur Mn salen a été effectuée et la formation de l’espèce Mn(IV) a été observée. Etant une étape vers l'utilisation de ces types de photocatalyseurs dans une cellule photoélectrochimique, un chromophore [Ru(bpy)₃]²⁺ avec des groupes d’ancrage phosphonate a été synthétisé (Ru-phosphonate) et greffé sur la surface méso-poreuses d'un semi-conducteur de TiO₂ pour effectuer des mesures du photocourant. / Artificial photosynthesis is often considered to have great potential to provide alternative, renewable fuels by harvesting, conversion and storage of solar energy. One promising approach is the development of modular molecular photocatalysts inspired by natural photosynthetic enzymes. The first part of this thesis deals with artificial mimics of the water oxidizing photosystem II composed of a chromophore and an electron relay as synthetic counterpart of the P680-TyrZ/His190 ensemble of photosystem II. Three ruthenium polypyridyl – imidazole - phenol complexes with varying position of a methyl group on the phenol ring (Ru-xMe) were synthesized and characterized by electrochemical and photophysical methods. As an improvement compared to earlier complexes the increased redox potential (~0.9 V vs. Ferrocene) of the phenol groups makes their function as an electron relay in a photocatalytic system for water oxidation thermodynamically possible. Time-resolved absorption studies revealed fast intramolecular electron transfer (<5-10 µs in aprotic solvent and <100 ns in water) despite the low driving force and the importance of the hydrogen bond between the phenol and the imidazole group was put in evidence. Slight differences between the three Ru-xMe complexes and investigation of the effect of external bases allowed to derive a mechanistic picture in which the imidazole is involved in a “proton domino” reaction. Accepting the phenolic proton upon ligand oxidation (within the H-bond) renders its second nitrogen site more acidic and only deprotonation of this site pulls the overall equilibrium completely towards oxidation of the ligand. Another part of this thesis comprises a chromophore-tryptophan construct synthesized using a click chemistry approach. Light-induced oxidation of Trp in this Ru-tryptophan complex was shown to follow ETPT mechanism. Depending on the pH conditions tryptophan radicals, either Trp• or TrpH•⁺ were detected and spectral measurement at different time showed the transition between the two forms. Deprotonation of the radical was dependent on the concentration of water as proton acceptor. Later part of the thesis deals with efforts to covalently bind a catalytic unit to the previously characterized chromophore-electron relay module. The click chemistry approach was not successful to obtain the final photocatalytic assembly. Therefore bimolecular activation of a Mn salen catalyst was performed and formation of Mn(IV) species was observed. As a step towards utilization of these types of photocatalysts in a photoelectrochemical cell a [Ru(bpy)₃]²⁺ chromophore with phosphonate anchoring groups (Ru-Phosphonate) was synthesized and grafted on the surface of a TiO₂ mesoporous semiconductor surface anode to perform photocurrent measurements.