開(kāi)發(fā)高效、低H2O2消耗的苯選擇性氧化制苯酚(SOBP)催化劑對(duì)于實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要,但仍存在挑戰(zhàn)。
基于此,大連理工大學(xué)趙忠奎教授、太原理工大學(xué)章日光教授和中科院大連化學(xué)物理研究所劉岳峰研究員(共同通訊作者)等人報(bào)道了通過(guò)水分子催化預(yù)組裝熱解法制備了具有單原子Cu1-N1O2配位結(jié)構(gòu)的N/C材料(Cu-N1O2 SA/CN)。
其在H2O2/苯摩爾比為2: 1的條件下有效促進(jìn)SOBP反應(yīng),具有83.7%的苯轉(zhuǎn)化率和98.1%的苯酚選擇性。結(jié)果表明,對(duì)比Cu1-N2催化劑(190 h-1)、Cu1-N3催化劑(90 h-1)和Cu納米顆粒催化劑(58 h-1),其周轉(zhuǎn)頻率(435 h-1)更高。
DFT計(jì)算,研究了各種單原子Cu配位構(gòu)型的電子性質(zhì)和反應(yīng)機(jī)理。由于O原子比N原子具有更強(qiáng)的親電性,Cu1-N1O2位點(diǎn)比Cu1-N2和Cu1-N3位點(diǎn)更有利于電荷分布,從而使CN載體與Cu原子之間的電子轉(zhuǎn)移更快。
Bader電荷分析表明,Cu1-N1O2位點(diǎn)Cu原子向相鄰原子轉(zhuǎn)移0.966 |e|,遠(yuǎn)高于Cu1-N2位點(diǎn)(0.741 |e|)和Cu1-N3位點(diǎn)(0.664 |e|),表明Cu1-N1O2位點(diǎn)具有更好的電荷轉(zhuǎn)移能力。
此外,Cu1-N1O2位點(diǎn)的導(dǎo)帶比Cu1-N3位點(diǎn)的導(dǎo)帶更接近費(fèi)米能級(jí),證明了Cu1-N1O2位點(diǎn)具有更好的電荷轉(zhuǎn)移能力。
由于O原子的電荷轉(zhuǎn)移能力增強(qiáng),親電性更強(qiáng),Cu1-N1O2位點(diǎn)Cu-3d電子較少,意味著更多的3d軌道未被占據(jù),有利于反應(yīng)物的吸附。
Regulating electron configuration of single Cu sites via unsaturated N, O-coordination for selective oxidation of benzene. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-34852-y.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34852-y.