光催化甲醇直接偶联制乙二醇新进展

摘要:厦门大学化学化工学院王野教授团队在光催化甲醇制乙二醇方面取得新进展,相关研究成果近期在线发表于国际期刊Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202205782)。

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含官能团分子中惰性C−H键的选择性活化与C−C偶联一直是化学研究领域的热点与难点。甲醇(CH3OH)作为来源丰富的基础化工原料,通过光催化C−H键选择性活化和C−C偶联可制得乙二醇并联产氢气(2CH3OH → HOCH2CH2OH + H2),有望开辟乙二醇绿色合成的新路线。然而,已报道的光催化剂体系上光捕获、电荷载流子分离和表面反应等过程的效率仍不尽理想,导致光催化甲醇直接偶联制乙二醇的反应速率较实际应用的需求尚存显著差距。


本工作通过精准构筑具有交替内建电场的六方/立方相堆叠组成的Zn1-xCdxS异质结,促进了光生电子和空穴的分离和分别迁移到立方相和六方相;在此基础上,将单原子Rh选择性负载于六方相,通过Rh与甲醇C−H键的相互作用,促进了甲醇分子的吸附和活化,从而实现了高效光催化甲醇偶联制乙二醇。该催化剂表现出优异的光催化甲醇制乙二醇性能以及稳定性,获得了34 mmol gcat.-1 h-1的高乙二醇生成速率,60小时反应后的乙二醇收率可达37%,远优于此前报道的其他催化剂。该工作有望推动光催化甲醇制乙二醇过程的规模化应用,并为基于半导体材料的大宗有机化学品光催化绿色合成开辟新路线。


王野教授和谢顺吉教授团队长期致力于C1分子的可控催化研究,近年在光催化C−H键选择性活化与C−C键精准偶联的基础研究和应用技术开发方面取得了一系列重要进展 (Adv. Mater. 2022, 10.1002/adma.202205782; Energy Environ. Sci. 2021, 14, 37; Nat. Commun. 2018, 9, 1181)。


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      本工作是在王野教授和谢顺吉教授共同指导下完成。实验部分主要由我院联合培养2021届博士毕业生王力梅(现为清华大学博士后)、2022届博士毕业生张福勇(共同第一作者,现为河南工业大学讲师)、2021届博士毕业生胡景庭(共同第一作者,现为中科院大连化物所博士后)完成,理论计算部分由孙宇副教授(共同第一作者,西安电子科技大学)完成。我院2021届博士毕业生汪永科、2018级博士生冯俊、2020级博士生李玉冰、2022届硕士毕业生王根源、2021级博士生张彪为本工作提供了帮助。我院张庆红教授、燕山大学王海燕教授和胡文涛教授为本工作提供了部分指导,壳牌公司Baira Donoeva、Joost Smits和Alexander Van der Made等参与了本工作的讨论。研究工作得到国家自然科学基金项目(22121001、91945301、21972115、22022201)和壳牌公司的支持。


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