Synthesis and analysis of cobalt-based N5-complexes

Abstract

This research focuses on synthesizing three cobalt complexes by ligands consisting of different conjugated systems and analysing their catalytic properties. These cobalt compounds are to be used to catalyse the reduction of protons generated in the reaction of water splitting. The reverse of water splitting is used in fuel cells and consists of oxidizing hydrogen gas to protons and electrons followed by a reaction between the protons, electrons, and oxygen. The energy produced in this reaction can be used to power transportation vehicles such as cars. One of the main challenges in this field of research is to find catalysts for the proton reduction/hydrogen oxidation reactions that are which is cheap, environmentally friendly, and efficient. This entails expensive and rare metals such as iridium by, for example cobalt. The complex [Co(N4Py)Cl]n+ is a known photocatalyst for hydrogen production and the main topic of the present investigation is to study how slight modifications to the N4Py ligand framwork changes the catalytic properties of the cobalt. The ligands used are N5-donor ligands that are common for compounds used in catalysis. The methods used to analyse the three cobalt complexes prepared in this study are 1H NMR spectroscopy, UV-vis spectroscopy, and cyclic voltammetry. The results from the 1H NMR spectroscopy indicate that the compounds have been successfully coordinated since the signals of the ligands have shifted to a higher chemical shift. The UV-vis spectroscopy showed that the three cobalt complexes have absorption maxima around 525nm and 340nm. The cyclic voltammetry showed the redox reaction of Co(III)/Co(II) and Co(II)/Co(I) plus other unidentified reductions that appear to be irreversible but do not cause the decay of the compound. The reduction of Co(III) to Co(II) is not noticeably affected by the different ligands since the E1/2 is roughly the same but for the reduction of Co(II) to Co(I) the reduction potential changes around 70-150mV between the different complexes.

Popular Abstract (Swedish)

Sedan 1960-talet har världens befolkning ökat med nästan en miljard varje årtionde. Med denna ökande befolkning följer ökande energibehov. Fram tills år 2023 har den globala energiproduktionen dominerats av icke-förnybara energikällor som till exempel kol och olja. De kallas icke-förnybara energikällor eftersom de inte är återanvändbara och är ändliga. Utöver detta så släpper dessa energikällor ut växthusgaser när de förbränns vilket i sin tur höjer temperaturen på vår planet och förstör ekosystem. För en hållbar framtid behövs en mer miljövänlig och förnybar energikälla. En av de mest lovande energikällorna för framtiden är vätgas. Vätgas är ren grön energikälla vilket betyder att förbränning av vätgas inte resulterar i att några växthusgaser bildas. Ett sätt att utvinna den energi som befinner sig i vätgas är genom en bränslecell.3 En bränslecell fungerar lite som ett batteri och består av nästan samma komponenter. En bränslecell har en anod som är den positiva elektroden, en katod som är den negativa elektroden och en elektrolyt e-mellan dessa två elektroder. Från katoden till anoden finns det också en tråd som elektronerna kan färdas igenom. Elektronerna i ett batteri färdas från den negativa katoden till den positiva anoden på samma sätt som vattnet i en flod rör sig från en hög punkt till en låg punkt. I denna bränslecell skickar man in ett flöde utanför anoden där anoden tar upp en elektron från varje väteatom och väteatomerna blir oxiderade till joner. Vätejonerna kan då färdas genom elektrolyten vilket är en vätska som innehåller joner där elektricitet kan färdas genom. Jonerna färdas till katoden där de reagerar med syre som kommer in från luften utanför batteriet. Där reagerar vätejonerna med syret i luften och skapar vatten. När vattnet skapas bildas det en ström som kan utnyttjas i till exempel en bil.10 Men denna reaktion fungerar inte spontant utan reaktionen måste ha hjälp från en katalysator eftersom energin som krävs för att reaktionen ska startas är för hög. En katalysator fungerar på samma sätt som en tunnel genom ett berg. Det skulle kräva mycket energi att gå över hela berget för att komma till andra sidan, men i stället kan man bygga en tunnel för att slippa detta. Med hjälp av katalysatorn kan man även göra reaktionen baklänges, alltså att man skapar vätgas genom reduktion av vatten. Den här forskningen fokuserar på att undersöka tre olika katalysatorer för denna reaktion. Dessa katalysatorer som undersöks innehåller metallen kobolt som är bunden till sex olika atomer om doneras från flera molekyler(s k ligander). Tanken bakom detta arbete är att ändra några av de molekyler som är bundna till metallen kobolt för att se om det har någon förändring på hela komplexets katalytiska förmåga.

• author: Ekberg, Lukas
• supervisor: Yong Li
• organization: Department of Chemistry
• alternative title: Electrochemical analysis of different conjugated systems effect on cobalt
• course: KEML10 20231
• year: 2023
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Chemistry
• keywords: Inorganic Chemistry, Hydrogen, Fuel cell, Absorption maximum, Reduction, Cobalt
• language: English
• id: 9133991
• date added to LUP: 2023-08-14 10:44:28
• date last changed: 2023-08-14 10:44:28