李灿院士&李泽龙JACS：无定形BiOCl纳米片偶联TiO2实现甲苯光催化氧化的高选择性

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研究内容

甲苯选择性氧化制苯甲醛是合成高附加值含氧化学品的重要途径。苯甲醛作为一种芳香羰基产品，是制造染料、溶剂、香水、增塑剂、阻燃剂和药品的通用基石。然而，惰性的C（sp3）-H键和甲苯容易过氧化，使甲苯选择性氧化制苯甲醛成为一个巨大的挑战。

兰州大学李灿院士和李泽龙提出了一种由少量（1 mol%）无定形BiOCl纳米片组装在TiO2上构建的光催化剂（0.01BOC/TiO2），在甲苯氧化为苯甲醛方面表现出优异的性能，在10%的转化率下具有85%的选择性，并且苯甲醛的形成速率高达1.7mmol g-1 h-1，分别是裸TiO2和BOC的5.6倍和3.7倍。相关工作以“Achieving High Selectivity in Photocatalytic Oxidation of Toluene on Amorphous BiOCl Nanosheets Coupled with TiO2”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.作者通过负载少量（1 mol%）均匀分布在TiO2上的无定形BOC纳米片制备了异质结光催化剂0.01BOC/TiO2。0.01BOC/TiO2对甲苯氧化制苯甲醛表现出高效的性能，甲苯转化率为10%，苯甲醛选择性高达85%。

要点2.无定形BOC纳米片和TiO2之间的异质结显著提高了电荷分离效率。此外，具有微观结构的无定形BOC赋予了其丰富的表面氧空位（Ov），可以进一步促进电荷分离。无定形BOC的表面Ov可以有效地吸附和活化O2。

要点3.光致空穴积聚在非晶BOC上用于甲苯C（sp3）-H键的活化，TiO2上积聚的光电子和非晶BOC表面Ov处捕获的光电子被O2消耗以产生O2·-。与TiO2相比，苯甲醛容易从无定形BOC中解吸，提高了苯甲醛的选择性。

该工作强调了基于异质结的微观结构的重要性，有助于合理设计有机合成中具有高性能的光催化剂。

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研究图文

图1. 甲苯的光催化选择性氧化。

图2. 光催化剂的结构表征。

图3. 能带结构和电荷分离。

图4. 甲苯选择性氧化表面反应动力学。

图5. 反应机制。

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文献详情

Achieving High Selectivity in Photocatalytic Oxidation of Toluene on Amorphous BiOCl Nanosheets Coupled with TiO 2

Hao Wang, Chen Cao, Dongfeng Li, Yongxin Ge, Ruotian Chen, Rui Song, Wensheng Gao, Xiuli Wang, Xintan Deng, Hongjun Zhang, Bangjiao Ye, Zelong Li,* Can Li*

J. Am. Chem. Soc.