JACS：TiO₂-CuO异质界面高效光催化异丙醇脱氢生成丙酮与氢气

云深

2025-09-19

全文概要

澳大利亚国立大学Zongyou Yin和Nicholas Cox研究团队开发了一种TiO₂-CuO异质结光催化剂，实现了异丙醇（IPA）高效、高选择性光催化脱氢生成丙酮和氢气，产氢速率达4400 μmol/g/h。通过XPS、EPR和AIMD等多种表征手段，研究揭示了在TiO₂/CuO界面形成的不对称Ti–O(H)–Cu⁺结构是该体系高活性和选择性的关键。该结构促使反应通过α-C–H键的氢原子转移（HAT）路径进行，而非传统O–H提取路径，从而显著提高丙酮选择性并抑制副反应。

本文要点

1. 界面结构表征：XPS与EPR证实界面处存在Cu⁺和畸变Ti⁴⁺环境，形成Ti–O(H)–Cu⁺活性单元；Raman和XRD显示CuO嵌入TiO₂纳米片中，优化界面接触。

2. 光催化性能：TiO₂-CuO-06在纯IPA中产氢速率最高（4395 μmol/g/h），远优于单一组分；对伯醇（甲醇、乙醇、丙醇）也表现出良好活性，主要产物为相应醛类。

3. 机理研究：原位EPR捕获到碳中心自由基中间体–C(OH)(CH₃)₂，证实α-C–H键活化路径；DFT计算表明界面结构将α-C–H断裂能垒从0.99 eV（TiO₂）降至0.64 eV，促进反应进行。

4. 电荷动力学：TRPL和原位XPS显示异质结延长载流子寿命（4.13 ns），电子由TiO₂向CuO转移，增强界面电荷分离与催化效率。

5. 应用前景：该研究为设计原子级催化界面提供了新思路，适用于多种光催化反应，如醇选择性氧化、氢能转化等。

文献详情

Hang Yin, Zhehao Sun, Kaili Liu, et al. Harnessing Heterogeneous Asymmetric Oxide Interface for Efficient Photodehydrogenation of Isopropanol through α-C–H Bond Activation, J. Am. Chem. Soc. (2025)
DOI: 10.1021/jacs.4c17517

全文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17517