Small:Ag2S-CdS p-n 纳米异质结促进光催化醇类选择性氧化

醇类选择性氧化在合成化学和精细化工领域具有十分重要的意义。传统的热催化氧化通常需要贵金属催化剂(负载的Au、Pd等)且反应条件比较苛刻(强氧化剂、高温、高压等),会造成资源浪费和过度氧化等问题。光催化绿色经济、条件温和,通过光能驱动醇类物质选择性氧化到醛类是一种更理想的途径。尽管过去几年光驱动的醇类选择性氧化取得了诸多进展,但大部分仍然需要贵金属助剂(Pt、Au、Ru等),效率和选择性仍有待提高。仍需要进一步设计高效的光催化剂。

近年来,由金属和半导体或半导体-半导体构成的Mott-Schottky结或不同类型的半导体异质结(n-n、p-n和p-p结)有助于调节电子密度,从而促进光生电荷分离和转移。例如p-n结在界面处会形成强大的内嵌场,在析氢过程中实现高效的电荷分离表现了优异的催化活性。然而,它们在有机合成中的潜力尚未被充分发掘。

CdS材料具有良好光捕获能力,是常用的光催化剂,但通常需要贵金属助剂(Au、Pt等)来提高光催化活性。受上述启发,南开大学谢微课题组通过种子生长法制备了Ag2S-CdS纳米结作为常温下醇类选择性氧化的无贵金属光催化剂。HRTEM表明Ag2S和CdS的晶格失配仅为2.7%。光电化学测试表明Ag2S和CdS分别展现出了p型和n型半导体特点,和TOP刻蚀后的CdS相比p-n纳米结的载流子浓度明显增加,这表明p-n结中能够产生更多的载流子来驱动化学反应的发生,其能带结构在驱动醇类氧化和O2还原在热力学上也是可行的。苯甲醇氧化活性测试表明,p-n纳米结的催化活性远优于单组分Ag2S、CdS和机械混合催化剂,380 nm和420 nm处的量子产率可达59.6%和36.9%。光电化学测试和荧光测试表明,该p-n纳米结表现出了远优于其单独组分CdS的电荷分离和转移性能,Ag2S和CdS的紧密接触和晶格匹配减小了载流子传输障碍,电荷分离明显增强。对照实验表明,光生电子和空穴同时参与了催化氧化过程,电子活化了空气中的O2产生了•O2活性氧物种,空穴则参与醇类底物分子的活化形成活化的中间体,进一步与•O2反应生成醛产物和H2O2。以p-n结为催化剂,实现了一系列的苄基醇、吡啶醇和生物质醇室温下,以空气为氧源的高效选择性氧化,几乎没有产生过氧化的酸产物,催化剂的质量反应速率优于绝大多数文献报道的贵金属-半导体光催化剂。p-n结的利用为温和条件下的高性能的催化氧化提供了新机会。

相关论文在线发表在Small (10.1002/smll.202001529)上。