Electrocatalytic properties and zn-air battery application of mononuclear and dinuclear phthalocyanine complexes involving tertiary butyl and oxo bridging groups - Kaniz, Tarifa (My University, 2025)
Metallerin ftalosiyanin (MPc) kompleksleri; katalizörler, yarı iletkenler, moleküler elektronik, gaz sensörleri, doğrusal olmayan optikler, fotovoltaik hücreler, elektrokromizm, güneş hücreleri, yakıt hücreleri ve doğrudan metanol yakıt hücreleri gibi alanlarda büyük ilgi görmektedir. Bu bileşikler, 18 π-elektronlu konjuge sistemleri nedeniyle bilimsel, teknolojik, endüstriyel ve tıbbi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, zengin redoks davranışları, kimyasal stabiliteleri, merkezi boşlukta farklı metal bulundurabilmeleri, halka yapılarının değiştirilme kolaylığı ve yüksek metanol toleransları nedeniyle oksijen redoks prosesleri için elektrokatalizör olarak araştırmacıların dikkatini çekmiştir. Bir çok enerji dönüşüm sisteminde elektrokatalitik malzeme olarak kullanılmakta olan ve zengin redoks özellikleri sergileyen MPc kompleksleri yüksek güç yoğunluğuna sahip, uygun maliyetli ve güvenilir enerji dönüşüm sistemlerinin geliştirilmesi için çok önemlidir. Bu çalışmada, yakıt ve metal-hava pilleri için etkinliği yüksek oksijen elektrokatalizörleri geliştirmek amacıyla, yeni mononükleer ve dinükleer metal ftalosiyanin bileşiklerinin elektrokimyasal redoks özellikleri, iki farklı çözücü ortamında elektroanalitik yöntemler ile ayrıntılı olarak araştırılmıştır. Söz konusu bileşikler genel olarak ligand ve metal temelli redoks prosesleri gösterirken, top tipi dinükleer bileşiklerin, iki MPc birimi arasındaki molekül içi etkileşimler nedeniyle çeşitli karışık değerlikli yükseltgenme ve indirgenme türleri oluşturdukları gözlemlenmiştir. Gözlenen indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonlarının ligand veya metal merkezli olduğunu belirlemek amacıyla eş-zamanlı spektroelektrokimyasal analizler gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, bu bileşiklerin oksijen indirgenme ve oksijen yükseltgenme reaksiyonlarındaki elektrokatalitik performansları, yakıt pili ve çinkohava pili uygulamalarına yönelik olarak asidik ve bazik ortamda genel voltametri (doğrusal taramalı ve dönüşümlü voltametri) ve hidrodinamik voltametri (dönen halka ve dönen halka-disk elektrot voltametrisi) teknikleri ile incelenmiştir. Oksijen elektrokatalizörü olarak yüksek aktivite gösteren bileşiklerin çinko-hava pili performans testleri galvanodinamik ve galvanostatik tekniklerle gerçekleştirilmiştir. Söz konusu ölçümler, redoks aktif metal içeren top tipi metal ftalosiyaninlerin, yakıt ve çinko-hava pil uygulamalarında katot katalizörü olarak platine alternatif olabileceklerini göstermiştir. Yüzyüze iki redoks-aktif metal merkezi içeren yapısı nedeniyle, top tipi dinükleer Fe kompleksinin oksijen indirgeme reaksiyonu için oldukça yüksek katalitik aktivite sergilediği anlaşılmıştır.

The metal phthalocyanine (MPc) complexes have attracted great interest in fields such as catalysts, semiconductors, molecular electronics, gas sensors, nonlinear optics, photovoltaic cells, electrochromism, solar cells, fuel cells, and direct methanol fuel cells. These compounds are widely used in scientific, technological, industrial, and medical fields due to their 18 π-electron conjugated systems. Additionally, their rich redox behaviour, chemical stability, ability to accommodate different metals in the central cavity, ease of ring modification, and high methanol tolerance have drawn researchers' attention as electro catalysts for oxygen redox processes. MPc complexes, which exhibit rich redox properties and are used as electro catalytic materials in many energy conversion systems, are crucial for developing high-power-density, costeffective, and reliable energy conversion systems. In this study, the electrochemical redox properties of novel mononuclear and dinuclear metal phthalocyanine compounds were investigated in detail using electroanalytical methods in two different solvent media to develop highly efficient oxygen electro catalysts for fuel cells and metal-air batteries. While these compounds generally exhibited ligand- and metal-based redox processes, it was observed that the ball-type dinuclear compounds formed various mixed-valence oxidation and reduction species due to intramolecular interactions between the two MPc units. In situ spectroelectrochemical analyses were conducted to determine whether the observed reduction and oxidation reactions were ligand- or metal-centered. Subsequently, the electro catalytic performance of these compounds in oxygen reduction and oxygen evolution reactions was examined in acidic and basic media using general voltammetry (linear sweep and cyclic voltammetry) and hydrodynamic voltammetry (rotating ring and rotating ring-disk electrode voltammetry) techniques for fuel cell and zinc-air battery applications. Zinc-air battery performance tests of the compounds exhibiting high activity as oxygen electro catalysts were conducted using galvanodynamic and galvanostatic techniques. These measurements demonstrated that redox-active metal-containing ball-type metal phthalocyanines could serve as alternative cathode catalysts to platinum in fuel cell and zinc-air battery applications. Due to its rigid cofacial structure containing two face-toface redox-active metal centers, the ball-type dinuclear Fe complex exhibited remarkably high catalytic activity for the oxygen reduction reaction
Keywords: chemistry; Chemistry, Physical and theoretical; electrochemisty; Elektrokimya; kimya; Kimya, Fiziksel ve teorik