Theoretical study of water oxidation and reduction mechanisms by aminopyridine first row transition metal catalysts

Abstract

One of the major current scientific goals is the development of renewable energy sources. An effective alternative to fossil fuels consists in the conversion of the sunlight energy into chemical fuels. The molecular hydrogen from water is considered the most promising energy carrier. In the natural photosynthesis the solar energy is stored into the carbohydrate chemical bonds derived from water and CO2. The key step of this process is the photo-oxidation of H2O molecules into O2, which provides the protons and electrons needed to produce H2. A detailed knowledge of the reaction mechanisms results essential to enhance the catalytic performance and to ensure the compatibility of the water oxidation and proton reduction catalysts. In this thesis, the key steps of the water oxidation and proton reduction reactions catalyzed by a group of metal complexes and the catalysts structural features that benefit both processes are studied using computational tools

Un dels grans reptes actuals consisteix en el desenvolupament de fonts d'energia renovables. Una alternativa eficaç als combustibles fòssils consisteix en la conversió de l'energia solar en combustibles químics. L’hidrogen molecular provinent de l’aigua és considerat el portador d’energia més prometador. En la fotosíntesi natural l’energia solar és emmagatzemada en els enllaços químics dels carbohidrats obtinguts a partir d’aigua i CO2. L’etapa clau del procés és la foto-oxidació de l'aigua en O2, que aporta els protons i electrons necessaris per produir H2. El coneixement detallat del mecanisme de reacció resulta essencial per millorar el rendiment catalític i assegurar la compatibilitat dels catalitzadors d’oxidació de l’aigua i reducció de protons. En aquesta tesi, les etapes fonamentals del mecanisme de les reaccions d’oxidació de l’aigua o la reducció de protons catalitzades per un grup de complexos metàl·lics i les característiques estructurals dels catalitzadors que beneficien ambdues reaccions són estudiades utilitzant eines computacionals