Artificial photosynthesis and the splitting of water to generate hydrogen

It is no exaggeration to state that the energy crisis is the most serious challenge that we face today. Among the strategies to gain access to reliable, renewable energy, the use of solar energy has clearly emerged as the most viable option. A promising direction in this context is artificial photosynthesis. In this article, we briefly describe the essential features of artificial photosynthesis in comparison with natural photosynthesis and point out the modest success that we have had in splitting water to produce oxygen and hydrogen, specially the latter.

Models of the Oxygen-Evolving Complex of Photosystem II

In the five chapters that follow, I delineate my efforts over the last five years to synthesize structurally and chemically relevant models of the Oxygen Evolving Complex (OEC) of Photosystem II. The OEC is nature’s only water oxidation catalyst, in that it forms the dioxygen in our atmosphere necessary for oxygenic life. Therefore understanding its structure and function is of deep fundamental interest and could provide design elements for artificial photosynthesis and manmade water oxidation catalysts. Synthetic endeavors towards OEC mimics have been an active area of research since the mid 1970s and have mutually evolved alongside biochemical and spectroscopic studies, affording ever-refined proposals for the structure of the OEC and the mechanism of water oxidation. This research has culminated in the most recent proposal: a low symmetry Mn₄CaO₅ cluster with a distorted Mn₃CaO₄ cubane bridged to a fourth, dangling Mn. To give context for how my graduate work fits into this rich history of OEC research, Chapter 1 provides a historical timeline of proposals for OEC structure, emphasizing the role that synthetic Mn and MnCa clusters have played, and ending with our Mn₃CaO₄ heterometallic cubane complexes.

In Chapter 2, the triarylbenzene ligand framework used throughout my work is introduced, and trinuclear clusters of Mn, Co, and Ni are discussed. The ligand scaffold consistently coordinates three metals in close proximity while leaving coordination sites open for further modification through ancillary ligand binding. The ligands coordinated could be varied, with a range of carboxylates and some less coordinating anions studied. These complexes’ structures, magnetic behavior, and redox properties are discussed.

Chapter 3 explores the redox chemistry of the trimanganese system more thoroughly in the presence of a fourth Mn equivalent, finding a range of oxidation states and oxide incorporation dependent on oxidant, solvent, and Mn salt. Oxidation states from Mn^II₄ to Mn^IIIMn^IV₃ were observed, with 1-4 O^2– ligands incorporated, modeling the photoactivation of the OEC. These complexes were studied by X-ray diffraction, EPR, XAS, magnetometry, and CV.

As Ca²⁺ is a necessary component of the OEC, Chapter 4 discusses synthetic strategies for making highly structurally accurate models of the OEC containing both Mn and Ca in the Mn₃CaO₄ cubane + dangling Mn geometry. Structural and electrochemical characterization of the first Mn₃CaO₄ heterometallic cubane complex— and comparison to an all-Mn Mn₄O₄ analog—suggests a role for Ca²⁺ in the OEC. Modification of the Mn₃CaO₄ system by ligand substitution affords low symmetry Mn₃CaO₄ complexes that are the most accurate models of the OEC to date.

Finally, in Chapter 5 the reactivity of the Mn₃CaO₄ cubane complexes toward O- atom transfer is discussed. The metal M strongly affects the reactivity. The mechanisms of O-atom transfer and water incorporation from and into Mn₄O₄ and Mn₄O₃ clusters, respectively, are studied through computation and ¹⁸O-labeling studies. The μ3-oxos of the Mn₄O₄ system prove fluxional, lending support for proposals of O^2– fluxionality within the OEC.

Unidirectional suppression of hydrogen oxidation on oxidized platinum clusters

Solar-driven water splitting to produce hydrogen may be an ideal solution for global energy and environment issues. Among the various photocatalytic systems, platinum has been widely used to co-catalyse the reduction of protons in water for hydrogen evolution. However, the undesirable hydrogen oxidation reaction can also be readily catalysed by metallic platinum, which limits the solar energy conversion efficiency in artificial photosynthesis. Here we report that the unidirectional suppression of hydrogen oxidation in photocatalytic water splitting can be fulfilled by controlling the valence state of platinum; this platinum-based cocatalyst in a higher oxidation state can act as an efficient hydrogen evolution site while suppressing the undesirable hydrogen back-oxidation. The findings in this work may pave the way for developing other high-efficientcy platinum-based catalysts for photocatalysis, photoelectrochemistry, fuel cells and water-gas shift reactions.

Synthèse, caractérisation et étude de complexes à réactivité multiélectronique

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications dans le domaine de la conversion d’énergie solaire

Dans un contexte où l’approvisionnement énergétique mondial du 21e siècle est un enjeu majeur, le développement de sources d’énergie renouvelables suscite l’attention croissante de la communauté scientifique et industrielle. L’énergie solaire est définitivement l’une des meilleures alternatives aux combustibles fossiles en tant que source d’énergie du monde de demain. Ce mémoire traite donc du développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications de photorécoltage d’énergie en photovoltaïque et en production d’hydrogène. Le premier chapitre présente la synthèse assistée par microondes de quatre nouveaux complexes de Co(II), Ni(II), Cu(II) et Zn(II) basés sur le ligand tétra-p-méthoxyphényl-azadipyrrométhène (ADPM) avec des rendements variant de 89% à quantitatif. Ces complexes sont mis en relation avec d’autres complexes homoleptiques connus portant le tétraphényl-ADPM comme ligand ainsi qu’avec leurs chélates de BF2+ pour une meilleure compréhension des tendances engendrées par la substitution de l’agent coordonnant et/ou des substituants p-méthoxy. Pour ce faire, le comportement électrochimique et photophysique est présenté. De façon générale, la présence des quatre groupements p-méthoxy semble rendre les dérivés de cet ADPM plus susceptibles à la dégradation électrochimique en conditions d’oxydation et induire un déplacement bathochromique des propriétés optiques d’absorption et d’émission. Les structures rayons X du ligand tétra-p-méthoxyphényl-ADPM et de son complexe homoleptique de Co(II) sont aussi discutées. Cette étude a été effectuée dans l’espoir de fournir des informations utiles sur la stabilité des ADPM aux chercheurs du domaine photovoltaïque en quête de nouveaux chromophores dans le proche infrarouge (NIR). Le deuxième chapitre présente quant à lui les propriétés de senseur envers les anions F-, OAc- et H2PO4- de deux nouveaux complexes neutres de Re(I) de type mono- et dinucléaire basés sur une phénanthroline substituée en position 5 contenant un récepteur thio-urée. Ces composés ont été obtenus dans des rendements de 81% et 60%, respectivement. L’effet de la formation de ponts hydrogène lors de l’ajout d’anions versus la déprotonation du récepteur a été évalué par des titrations UV/Vis et RMN 1H et semble indiquer que la formation de la base conjuguée du récepteur est favorisée pour ce type de système. De plus, la structure rayons X d’un des précurseurs est présentée et permet une discussion sur la chiralité des complexes mono- et dinucléaire obtenus. L’obtention d’un complexe bimétallique par autoassemblage ouvre la voie à la préparation d’antennes moléculaires pour des systèmes de photosynthèse artificielle.

Architectures radiales hétéro-poly-métalliques pour la photosynthèse artificielle et le stockage de l'information

Par une approche supramoléculaire, des architectures radiales hétéro-poly-métalliques ont été réalisées pour des applications en photosynthèse artificielle et en magnétisme moléculaire. Dans une première partie, la synthèse et la caractérisation (spectroscopie UV-vis, émission, électrochimique, DRX) de complexes de ruthénium(II), possédant une gamme de ligands polypyridines, ont été réalisées. Les calculs théoriques ont été effectués afin de soutenir l’interprétation des propriétés photophysiques. Ces complexes, présentant un certain nombre de pyridines externes, ont servi de cœur à des architectures à base de rhénium tris-carbonyles (pour les effets d’antenne), et de cobaloximes (pour les propriétés catalytiques). Les nucléarités obtenues varient de 2 à 7 selon le cœur utilisé. Ces systèmes ont été engagés dans des cycles de photo-production de dihydrogène, démontrant une meilleure efficacité que la référence du domaine, le [Ru(bpy)3]2+. La seconde partie concerne l’étude de couples de métaux de transition, construits à partir de briques polycyanométallates, ou de lanthanides pontés par des ligands oxamides. Ces approches « complexes comme ligand » puis « assemblages comme ligand » permettent d’obtenir des systèmes de haute nucléarité, présentant des propriétés de molécule-aimant ou des effets magnéto-caloriques (à base de CrNi, GdCu, DyCu). Des propriétés photomagnétiques ont été observées sur les couples RuCu et MoCu, pouvant servir de commutateurs moléculaires dans des systèmes complexes. Enfin, une structure hétéro-tétra-métallique trifonctionnelle a été obtenue contenant à la fois un commutateur MoCu, une entité molécule-aimant CuTb et un complexe de ruthénium.

Interfacial Electron Transfer Dynamics Following Laser Flash Photolysis of [Ru(bpy)(2)((4,4 `-PO(3)H(2))(2)bpy)](2+) in TiO(2) Nanoparticle Films in Aqueous Environments

Nanosecond laser flash photolysis has been used to investigate injection and back electron transfer from the complex [(Ru-(bpy)(2)(4,4`-(PO(3)H(2))(2)bpy)](2+) surface-bound to TiO(2) (TiO(2)-Ru(II)). The measurements were conducted under conditions appropriate for water oxidation catalysis by known single-site water oxidation catalysts. Systematic variations in average lifetimes for back electron transfer, - were observed with changes in pH, surface coverage, incident excitation intensity, and applied bias. The results were qualitatively consistent with a model involving rate-limiting thermal activation of injected electrons from trap sites to the conduction band or shallow trap sites followed by site-to-site hopping and interfacial electron transfer, TiO(2)(e(-))-Ru(3+) -> TiO(2)-Ru(2+). The appearance of pH-dependent decreases in the efficiency of formation of TiO(2)-Ru(3+) and in incident-photon-to-current efficiencies with the added reductive scavenger hydroquinone point to pH-dependent back electron transfer processes on both the sub-nanosecond and millisecond-microsecond time scales, which could be significant in limiting long-term storage of multiple redox equivalents.