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增強可見光響應多酸基金屬有機框架中載流子的分離效率以實現(xiàn)芐胺的高效氧化
閱讀：1444 發(fā)布時間：2022-8-51. 文章信息
標題：Enhanced Carrier Separation in Visible-Light-Responsive Polyoxometalate-Based Metal–Organic Frameworks for Highly Efficient Oxidative Coupling of Amines
中文標題：增強可見光響應多酸基金屬有機框架中載流子的分離效率以實現(xiàn)芐胺的高效氧化偶聯(lián)
頁碼：ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 24, 27882–27890
DOI：10.1021/acsami.2c05654
2. 文章鏈接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c05654
3. 期刊信息
期刊名：ACS Applied Materials & Interfaces
ISSN：1944-8244
2022年影響因子：10.383
分區(qū)信息： 中科院一區(qū)TOP，JCR分區(qū)(Q1)
涉及研究方向： 材料 化學 光催化
4. 作者信息：第一作者是 河南大學劉亞楠 。通訊作者為 河南大學牛景楊，王敬平 。
5.產(chǎn)品型號：CEL-NP2000-2A
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光催化技術(shù)被廣泛研究，但需要解決兩個關(guān)鍵問題，即陽光利用率低和載流子復合率高。在本工作中，我們將金屬配體[Ru(bpy)2(H2dcbpy)]Cl2和多金屬氧酸鹽（POMs）組裝到一起，得到了兩例POM基金屬有機框架（POMOFs）材料：{[Cd(DMF)2Ru(bpy)2(dcbpy)]2(POMs)(DMF)2}·xDMF （PMo-1，POMs=[PMoVI11MoVO40]4?，x=5；SiW-2，POMs=[SiW12O40]4?，x=4）。這種組裝不僅增強了光吸收，而且提高了載流子分離效率，在此基礎(chǔ)上，兩種POMOFs對光催化芐胺氧化偶聯(lián)反應都表現(xiàn)出了高活性。在PMo-1催化下反應在30分鐘內(nèi)就能完成，亞胺產(chǎn)率為99.6%，且轉(zhuǎn)化頻率（TOF）高達6631.6 h?1。據(jù)我們所知，PMo-1的催化活性優(yōu)于此前報道的任何其他光催化劑，他們的TOF通常小于2000 h?1。
圖文解析
新能源的開發(fā)，如太陽能、風能、潮汐能、地熱能等，正在幫助實現(xiàn)“碳中和”的目標。光催化作為一種有前途的太陽能利用方式，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。然而，其潛在的缺點，如低的陽光利用效率和高的載流子的復合率，嚴重限制了其整體的能量轉(zhuǎn)換效率，并進一步擠壓了其實際應用。因此，開發(fā)具有增強光催化性能的可見光響應光催化劑已經(jīng)成為一個研究熱點。
另一方面，亞胺及其衍生物是合成藥品、染料和精細化學品等的重要中間體。在光照下，芐胺與O2的光催化氧化偶聯(lián)具有高原子經(jīng)濟性和環(huán)境友好性的優(yōu)勢。近年來，各種光催化劑已經(jīng)被開發(fā)出來以實現(xiàn)這一反應。盡管它們表現(xiàn)出較高的光催化活性，但同時也存在一些問題，如結(jié)構(gòu)不清晰、反應時間長和催化劑難以回收等。因此，開發(fā)高效和可重復使用的光催化劑來實現(xiàn)亞胺合成仍然是一項非常有價值的任務。
在此，我們合成了兩例POMOFs結(jié)晶型光催化劑（PMo-1和SiW-2）。X射線單晶衍射分析表明，PMo-1和SiW-2是同構(gòu)的，只是POMs陰離子有所不同。以PMo-1為例，其結(jié)構(gòu)單元由兩個Cd（II）離子、一個[PMoVI11MoVO40]4?陰離子、兩個[Ru(bpy)2(dcbpy)]金屬配體、四個配位DMF分子和兩個自由DMF分子組成（圖1）。POMs陰離子通過氫鍵等弱相互作用和Cd-[Ru(bpy)2(dcbpy)]框架相連。這種連接不僅在指導POMOFs合成上發(fā)揮了重要作用，而且還加強了不同組分之間的聯(lián)系，從而改善了電荷轉(zhuǎn)移和電子交換過程，確保了更長的激發(fā)態(tài)壽命以實現(xiàn)高反應活性。同時，通過XPS進一步確定了PMo-1和SiW-2中金屬原子的價態(tài)。另外，還通過它們的FTIR、PXRD圖譜和TGA曲線進一步確認了其結(jié)構(gòu)和組成。
圖1 PMo-1的結(jié)構(gòu)描述。a) PMo-1的結(jié)構(gòu)單元。b)一維鏈之間通過π-π堆積沿a軸方向形成的二維結(jié)構(gòu)。c) POMs和一維鏈之間的陰離子···π相互作用（天藍色虛線）和氫鍵（棕色虛線）。d) PMo-1的3D結(jié)構(gòu)。（顏色代碼：C，灰色-40%；Cd，青綠色；N，藍色；O，紅色；H，白色；Ru，玫瑰色；Mo和MoO6多面體，藍綠色；P和PO6多面體，黃色。）
PMo-1和SiW-2的固體紫外光譜顯示兩種POMOFs都表現(xiàn)出廣泛的光吸收（圖2a），幾乎覆蓋了整個紫外-可見光區(qū)。進一步計算得到PMo-1和SiW-2的帶隙（Eg）分別為2.12 eV和2.02 eV，揭示了它們作為光催化劑的潛力。結(jié)合在不同頻率下的Mott?Schottky測試得到PMo-1和SiW-2的降至未占分子軌道（LUMO）能級為?0.37 V（vs. NHE）和?0.39 V（vs. NHE），比O2生成O2•?的還原電位[E(O2/ O2•?)] = ?0.33 V（vs. NHE）更負，為活化O2生成O2•?奠定了理論基礎(chǔ)。根據(jù)PMo-1和SiW-2的Eg和LUMO進一步計算出最高占據(jù)分子軌道（HOMO）分別為1.75 V（vs. NHE）和1.63 V（vs. NHE）。顯然，它們的HOMO能級比芐胺偶聯(lián)所需的氧化電位更正：E1/2(M+/M) = 1.47 V（vs. NHE）。因此，利用PMo-1和SiW-2作為光催化劑來實現(xiàn)芐胺的氧化偶聯(lián)反應在理論上是可行的。
為了更好地了解PMo-1比SiW-2活性高的原因，首先，我們通過瞬態(tài)光電流和電化學阻抗來研究它們的電子?空穴對分離和載流子遷移特性。在可見光照射下，PMo-1產(chǎn)生的光電流比SiW-2高得多，這表明PMo-1中的光誘導電子?空穴對的分離效率更高（圖2b）。同時，Nyquist圖顯示PMo-1具有比SiW-2更小的半圓形尺寸（圖2c），表明其電荷轉(zhuǎn)移電阻更低，電荷轉(zhuǎn)移過程更快，這與光電流響應結(jié)果一致。此外，與SiW-2相比，PMo-1的穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜強度要低得多，這表明PMo-1的電子?空穴對復合概率較低（圖2d）。同時，通過TRPL光譜測試了PMo-1和SiW-2的特定電荷載體動力學（圖2e）。其中，PMo-1表現(xiàn)出較慢的指數(shù)衰減，平均壽命為14.52 ns，是SiW-2（6.44 ns）的2.3倍，表明PMo-1產(chǎn)生的光生載流子更有可能參與隨后的表面氧化還原反應，這有利于提高光催化性能。
第三，進行了EPR測試以評估其產(chǎn)生光生自由基和活性氧（ROS）的能力。PMo-1在光照后顯示出明顯增強的EPR信號，然而SiW-2的EPR信號沒有表現(xiàn)出明顯的變化，表明PMo-1在光照下能夠比SiW-2產(chǎn)生更多的載流子（圖2f）。此外，在PMo-1的存在下觀察到明顯的O2•?和1O2的EPR特征信號峰（圖2g和圖2h），而在SiW-2中檢測到的信號要弱得多，這意味著PMo-1擁有比SiW-2更強的將O2活化為O2•?和1O2的能力。
圖2 a) PMo-1和SiW-2的紫外可見漫反射光譜。PMo-1和SiW-2的b)瞬態(tài)光電流響應和c) Nyquist圖。PMo-1和SiW-2的d) PL和e) TRPL光譜。f) PMo-1和SiW-2中光生自由基的EPR檢測。g) 由DMPO捕獲的PMo-1和SiW-2上的O2•?生成的EPR檢測。h)由4-oxo-TEMP 捕獲的PMo-1和SiW-2上的1O2生成的EPR檢測。i)與在類似實驗條件下報道的光催化劑的對比圖。
值得一提的是，PMo-1催化芐胺氧化偶聯(lián)的TOF高達6631.6 h?1。據(jù)我們所知，PMo-1的TOF超過了在類似實驗條件下以往報道的任何光催化劑，他們的TOF均低于2000 h?1（圖2i）。此外，PMo-1的反應時間比其他POM基光催化劑至少短32倍。在POM基光催化芐胺氧化偶聯(lián)反應體系中，還首要使用表觀量子產(chǎn)率（AQY）評估了其光催化性能，PMo-1在450 nm處的AQY為13.25%，表明其優(yōu)異的光催化性能，并超過了大多數(shù)在類似反應條件下的其他光催化劑。
為了闡明PMo-1光催化芐胺氧化偶聯(lián)機理，進行了一系列的自由基捕獲實驗和原位EPR測試。加入O2•?清除劑1,C6H4O2和1O2清除劑α-萜品烯導致反應產(chǎn)率明顯下降。在光照下觀察到O2•?和1O2的EPR特征信號峰，進一步證實了O2•?和1O2的形成。而當加入芐胺后，這些信號峰強度下降，表明O2•?和1O2參與了反應。相反，加入羥基自由基（•OH）清除劑t-BuOH時，沒有觀察到明顯的產(chǎn)率變化，這可能是由于其相對較高的氧化電位，與PMo-1的能級不匹配。
使用H2O2代替O2為氧化劑反應產(chǎn)率為73.2%，證明H2O2本身是反應中的一個重要中間體。這些結(jié)果共同指出，O2•?、1O2和H2O2是PMo-1光催化芐胺氧化偶聯(lián)反應的ROS。此外，加入電子清除劑AgNO3或空穴清除劑草酸銨都會導致反應產(chǎn)率的明顯下降，這表明光生電子和空穴在光催化過程中起著。
總結(jié)
總之，通過組裝[Ru(bpy)2(H2dcbpy)]Cl2和POMs，制備了兩種有序結(jié)晶的POMOFs光催化劑（PMo-1和SiW-2）。該組裝不僅將光吸收范圍拓展至可見光區(qū)，而且還改善了載流子分離效率。框架內(nèi)的氫鍵等弱相互作用進一步加強了各個組分之間的相互作用，從而加速了整個網(wǎng)絡的電荷轉(zhuǎn)移和電子交換過程。
PMo-1和SiW-2在光催化芐胺氧化偶聯(lián)反應中都具有較高活性；特別是PMo-1能在30分鐘內(nèi)實現(xiàn)定量反應，產(chǎn)率為99.6%，在450 nm下的AQY為13.25%，TOF為6631.6 h?1，據(jù)我們所知，其TOF超過了以往在類似領(lǐng)域報道的所有光催化劑。此外，電子、空穴參與的反應中間體和ROS已被原位EPR測試確認，為基于電荷轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移途徑的反應機理提供了直接證據(jù)。我們相信這種模塊化和結(jié)構(gòu)可調(diào)的合成策略可以為設計和構(gòu)建更多的高效光催化劑開辟一條新的途徑。