朱子健：界面化学键与强内电场助力Z型异质结高效选择性光催化氧化芳香醇【ACIE，2023】

发布时间：2023-02-13       阅读：254次

光催化有机合成具有巨大的潜力，可为制造各种高附加值化学品提供绿色温和的途径。然而，它仍然存在转化效率低和选择性差的问题。构建能级匹配的人工光合成体系（Z型异质结）是增强光催化性能的有效策略。然而，不良的接触界面，高的界面能垒，和电荷转移通道的匮乏，严重地阻碍了组分间的界面电荷转移，导致低的光催化活性。

针对以上问题，我校材料科学与工程学院博士生朱子健在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队黄洪伟教授和张以河教授的指导下，通过原位生长法制备了具有化学键合界面及强内电场的α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl (M=Nb,Ta) 点-片Z型结，可有效解决异质结界面电荷转移效率低的关键科学问题，因此对于芳香醇选择性氧化为芳香醛的催化反应表现出优异的光催化活性。主要研究结果如下：

1. 通过溶剂热法，将α-Fe₂O₃纳米点原位锚定在Bi₄MO₈Cl纳米片上，制备了α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl点-片Z型结。该紧凑异质界面由α-Fe₂O₃的{110}晶面与Bi₄MO₈Cl的{001}晶面相耦合形成。

2. 与纯相α-Fe₂O₃和Bi₄MO₈Cl相比，所制备的α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl点-片Z型结表现出显著增强的光催化活性，实现了高转化率、高选择性地氧化芳香醇为高附加值的芳香醛(转化率≥ 92%，选择性≥ 96%)，反应速率常数提高了1~2个数量级。

3. α-Fe₂O₃与Bi₄MO₈Cl异质界面的功函数差所诱导的内电场为组分间光生电荷的矢量迁移提供了强大的驱动力。同时，界面Fe-O键不仅可以作为原子级电荷传输通道，还降低了界面电荷转移能垒(ca. ~5.5 eV)，因此显著加速了Z型电荷转移，实现了有效的空间电荷分离。

图1 α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl点-片Z型结的合成与表征

 图2 芳香醇光催化选择性氧化的性能评估

图3 α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl异质结的界面电荷转移机制

上述研究成果发表于材料化学领域国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上：Zijian Zhu, Hongwei Huang*, Lizhen Liu, Fang Chen, Na Tian, Yihe Zhang, Han Yu*, Chemically Bonded α-Fe₂O₃/Bi₄MO₈Cl Dot-on-Plate Z-Scheme Junction with Strong Internal Electric Field for Selective Photo-oxidation of Aromatic Alcohols, Angewandte Chemie International Edition, 61 (2022) e202203519. [IF2021=16.823]

全文链接：https:// doi.org/10.1002/anie.202203519