Elektron çekici ve elektron salıcı gruplara sahip mononükleer ftalosiyanin komplekslerinin elektrokimyasal, eşzamanlı spektroelektrokimyasal ve elektrokatalitik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Elektrokimyasal enerji sistemlerinin performansını sınırlayan temel etkenlerden biri, elektrot yüzeyinde gerçekleşen redoks reaksiyonlarının düşük kinetiğe sahip olması ve yeterince tersinir olmamasıdır. Bu nedenle, bu tür sistemlerde yüksek kararlılık ve katalitik etkinlik gösteren elektrot malzemelerinin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Kimyasal ve termal dayanıklılıkları, konjuge π-elektron sistemleri ve merkezlerine farklı geçiş metalleri bağlayabilme özellikleri sayesinde ftalosiyanin kompleksleri, işlevsel elektrokatalizör adayları arasında öne çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, periferik meta konumda sübstitüe edilmiş nitrofenoksi ve aminofenoksi türevlerinin elektrokimyasal özellikleri araştırılmış ve bu özellikler detaylı bir şekilde belirlenmiştir. Komplekslerin redoks karakterizasyonu, döngüsel voltametri ve kare dalga voltametri teknikleriyle gerçekleştirilmiş; gözlemlenen elektron transfer süreçleri, kronoamperometri destekli eş zamanlı spektroelektrokimyasal ölçümlerle detaylı biçimde analiz edilmiştir. Bulgular, redoks davranışlarının merkez metalin kimyasal doğası ve sübstitüent grupların elektronik karakteriyle doğrudan ilişkili olduğunu göstermiştir. Elektron verici özellikteki amino grupları, redoks potansiyellerini negatif yöne kaydırarak oksidasyonu kolaylaştırırken; elektron çekici karakterdeki nitro grupları, indirgenme potansiyellerini pozitif değerlere yönlendirerek indirgenme süreçlerini desteklemiştir. Çalışmanın uygulamalı aşamasında, söz konusu komplekslerin oksijen indirgenme reaksiyonlarına karşı elektrokatalitik performansları, yakıt pili koşullarını modelleyen asidik ortamda doğrusal taramalı voltametri ve dönen disk elektrot teknikleriyle değerlendirilmiştir. Elde edilen veriler, redoks aktif demir ve kobalt merkezli komplekslerin, redoks inaktif nikel ve çinko içeren türlere kıyasla anlamlı düzeyde daha yüksek elektrokatalitik etkinlik gösterdiğini ortaya koymuştur. Özellikle nitro sübstitüe demir merkezli komplekslerin, yüksek aktivite düzeyleriyle elektrot modifikasyonu için güçlü adaylar olduğu sonucuna ulaşılmıştır.One of the primary limitations affecting the performance of electrochemical energy systems is the low kinetics and limited reversibility of redox reactions occurring at the electrode surface. Therefore, the development of electrode materials that exhibit high stability and catalytic efficiency is of great importance. Due to their chemical and thermal stability, conjugated π-electron systems, and ability to coordinate various transition metal ions at their center, phthalocyanine complexes stand out as promising functional electrocatalyst candidates. In this thesis, the electrochemical properties of nitrophenoxy and aminophenoxy derivatives substituted at the peripheral meta position were examined. Redox characterization of the complexes was conducted using cyclic voltammetry and square wave voltammetry, and the observed electron transfer processes were thoroughly examined through chronoamperometry-assisted in-situ spectroelectrochemical measurements. The results revealed that the redox behavior was strongly influenced by both the chemical nature of the central metal ion and the electronic characteristics of the substituent groups. The electron-donating nitro groups shifted the redox potentials toward more negative values, facilitating oxidation, while the electron-withdrawing nitro groups caused a positive shift, promoting reduction processes. In the applied part of the study, the electrocatalytic performance of these complexes toward the oxygen reduction reaction was evaluated under acidic conditions that simulate fuel cell environments, using linear sweep voltammetry and rotating disk electrode techniques. The findings indicated that redox-active iron- and cobalt-centered complexes exhibited significantly higher catalytic activity compared to their redox-inactive nickel and zinc analogues. Particularly, the nitro-substituted iron phthalocyanine complexes demonstrated strong potential as effective candidates for electrode surface modification in oxygen electrocatalysis.