【摘 要】
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光催化有机转化是光能驱动下通过催化剂参与的化学反应将有机化合物转化为精细化工原料,是光催化领域的重要研究方向。实现对目标产物的精准选择一直是光催化有机转化的核心研究内容,其本质是阐明有机分子的催化转化的机制,并建立明确的构-效关系,而关键在于明晰催化位点的设计。本论文基于超薄二维(2D)卤氧铋纳米片,开放的形貌特征、丰富的表面物种、可调的能带结构,设计开发了具有可见光吸收的多功能催化剂,以光催化苄
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光催化有机转化是光能驱动下通过催化剂参与的化学反应将有机化合物转化为精细化工原料,是光催化领域的重要研究方向。实现对目标产物的精准选择一直是光催化有机转化的核心研究内容,其本质是阐明有机分子的催化转化的机制,并建立明确的构-效关系,而关键在于明晰催化位点的设计。本论文基于超薄二维(2D)卤氧铋纳米片,开放的形貌特征、丰富的表面物种、可调的能带结构,设计开发了具有可见光吸收的多功能催化剂,以光催化苄胺的选择性氧化偶联合成二级胺为探针反应,利用系列光谱及电镜表征,系统考察了催化剂的表面原子化学态及电子结构;结合原位分子表征技术探究了苄胺分子在催化剂表面特定位点的选择性吸附,诱导活化的行为,并阐明了苄胺分子的定向转化路径与表面原子的关联;揭示了表面位点的催化功能作用,提出表面协同效应的光催化机制。具体研究内容如下:(1)采用水热法一步合成了具有丰富氧空位、两个原子层厚度的超薄二维Bi OCl纳米片(NS-OV)。通过在NS-OV表面沉积Pd(0.5 wt%)构建了多功能光催化剂(Pd0.5/NS-OV),在可见光、1 atm大气压下对苄胺偶联为N-亚苄基苄胺表现出高转化率(>95%)和精确选择性(>98%)。X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)表明,纳米片的超薄结构诱导了表面氧空位(OV)的形成,导致了丰富的表面低配位Bi原子和扩展的可见光吸收。电子顺磁共振(EPR)结果显示,表面OV有助于将空气中的O2组装到NS-OV表面。原位红外光谱(in-situ IR)表明低配位Bi通过界面上的-N```Bi-配位键选择性吸附苄胺分子,诱导-C-N键的极化和活化。此外,观察到Pd位点在可见光照射下对活性`O2-物种的形成起关键作用。基于这些实验结果,提出了Pd/Bi OCl光催化剂上苄胺光催化氧化偶联为N-亚苄基苄胺的可能反应机理。(2)采用溶剂热一步法合成不同氧空位浓度的超薄BiOBr纳米片原位自组装微球,自组装微球的纳米片同样具备超薄的二维结构。XPS、EPR和in-situ IR结果表明单层BiOBr纳米片原位组装微球催化剂表面存在丰富的氧空位和低配位的Bi路易斯酸位点。氧空位和低配位的Bi位点分别为吸附并进一步激活O2、吸附和活化苄胺分子提供了良好的反应场所。高浓度氧空位的BiOBr微球在光催化氧化苄胺偶联中表现出更高的转化率(>99%)和目标产物的高选择性(>97%)。该工作可以为制备具有不同浓度氧空位的BiOBr纳米片组装微球提供有效的策略,并进一步了解缺陷与反应物之间的反应途径。
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