Ga-C3N4单原子催化剂高效光驱动CO2环加成

doi:10.7503/cjcu20220349

摘要/Abstract

摘要：

通过配位锚定策略制备了一种高Ga单原子负载量(质量分数8.42%)的C₃N₄纳米片(Ga-C₃N₄), 用于高效光驱动CO₂环加成反应. 研究结果表明, Ga-C₃N₄中Ga单原子和均匀分布的N位点可分别作为Lewis酸/碱位点来活化环氧化合物和CO₂. 此外, Ga-C₃N₄具有优异的半导体特性, 在光照下产生的光生电子可以显著加快环氧化合物的开环速率, 即提升决速步骤的反应效率. 通过多功能协同, Ga-C₃N₄在光照下实现了CO₂到环状碳酸酯的高效催化转化.

关键词: 单原子催化, 光驱动, CO₂环加成

Abstract:

A carbon nitride（C₃N₄）-based catalyst featuring high density of atomically dispersed Ga species（mass fraction of 8.42%） was rationally fabricated（Ga-C₃N₄） based on a molecule-confined strategy for photo-driven cycloaddition of CO₂ and epoxides. The atomically dispersed Ga sites and uniform N species in Ga-C₃N₄ served as Lewis acid and Lewis base sites， respectively， cooperating together to promote the activation of substrates. Compared with the thermal-driven catalytic system， the light irradiation favors the photo-generated electron transfer from catalyst（i.e.， Ga-C₃N₄） to epoxides， facilitating the catalytic efficiency of ring-opening step（i.e.， rate-limiting step）. As a result， Ga-C₃N₄ exhibited superior catalytic performance towards the CO₂ cycloaddition with epoxides under light irradiation.

Key words: Single atom catalysis, Photo-driven, CO₂ cycloaddition

中图分类号:

O644

TrendMD:

杨静怡, 施思齐, 彭怀涛, 杨其浩, 陈亮. Ga-C₃N₄单原子催化剂高效光驱动CO₂环加成. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220349.

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图/表 4

Fig.1 SEM(A), TEM(B) and aberration?corrected HAADF?STEM(C) images of Ga?C3N4, Ga K?edge XANES(D) and k3?weighted Fourier transform of the EXAFS spectra(E) for Ga?C3N4, EXAFS R?space fitting curve of Ga?C3N4(F)The inset in（F） is the best fitting planar Ga-N6 motif.

Fig.2 Schematic illustration showing the photo?driven catalytic process over Ga?C3N4(A), the catalytic performance comparison for CO2 cycloaddition with 1?bromo?2,3?epoxypropane in the present of light irradiation or thermal environment, respectively(B), the demonstration of catalytic recyclability of Ga?C3N4 for the cycloaddition reaction of CO2 and 1?bromo?2,3?propylene oxide(C), and the catalytic performance comparison of Ga?C3N4 towards the CO2 cycloaddition with different epoxides in the present of light irradiation or thermal environment, respectively(D)

Fig.3 Catalytic performance of the cycloaddition reaction of CO2 and 1?bromo?2,3?epoxypropane over different catalysts in the present of light irradiation or thermal environment, respectively(A), the correlation between the photo?driven catalytic yield and Lewis acidity of different catalysts(B), the photocurrent responses of different catalysts(C), and the photoluminescence emission spectra of different catalysts with excitation at 365 nm(D)

Fig.4 UV?Vis absorption spectrum for Ga?C3N4(inset is the Tauc plot of Ga?C3N4)(A), UPS spectrum of Ga?C3N4(B), HOMO and LUMO position of Ga?C3N4(C), EPR spectra of Ga?C3N4 under N2 atmosphere(D) and CO2 atmosphere(E), comparison of the yield of ring?opening intermediates over Ga?C3N4 in the present of light irradiation and thermal environment, respectively(F)

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Ga-C₃N₄单原子催化剂高效光驱动CO₂环加成

Integration of Atomically Dispersed Ga Sites with C₃N₄ Nanosheets for Efficient Photo-driven CO₂ Cycloaddition

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