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Angew. Chem. :Au-CuO Janus结构高效协同催化异丙醇氧化脱氢制丙酮

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一方面,醇选择氧化制醛或酮,是为医药和精细化工提供关键中间体的重要技术。另一方面,醇类等挥发性有机物 (VOCs) 是部分行业特征污染物。在“双碳”背景下,通过选择催化转化,而不是完全催化氧化醇类污染物,有利于开拓VOCs资源化利用的新思路。然而,由于C–H键键能高,C、H原子电负性相近,在温和条件下实现β-C–H键的高效活化和选择性断裂仍然面临很大的挑战。


Au基催化剂因具有较强的C–H键活化能力,且对部分氧化产物的吸附能力较弱,被广泛应用于醇的选择性催化氧化。尽管金属/氧化物界面对醇选择氧化具有高活性和选择性,但由于大而厚的载体,传统负载型催化剂Au/可还原性氧化物中界面位点数不足以满足实际需求。因此,亟需开发新的方法来优化界面位点数,以实现醇的高选择性氧化转化。


近日,北京工业大学邓积光研究员、郑坤研究员和北京化工大学程道建教授合作,通过双金属原位活化和分离策略,构筑了具有超薄CuO层(0.5 nm)和丰富Au-CuO界面的独特Au-CuO Janus结构。该结构可高效活化和选择性断裂β-C–H键,对异丙醇氧化脱氢反应表现出超高的低温催化活性和丙酮选择性。

催化剂优异的性能与Au、Cu双金属之间的协同作用紧密相关,形成的Au-CuO Janus结构,具有更强的O2吸附和活化能力及更好的晶格氧迁移性,显著提高了异丙醇的吸附 (Au-CuO界面的异丙醇吸附能为−1.97 eV,远低于CuO上的−0.95 eV和Au上的−0.037 eV),且由于CuO中的O和异丙醇中的H之间强的亲和力,β-C–H键断裂的能垒从1.44 eV显著降低到0.01 eV。

类似地,SiO2、TiO2或CeO2负载的Au-CuO Janus结构,以及Al2O3负载的Au-MOx (M = Fe, Co, Ni, Mn)在温和条件下也具有优异的异丙醇选择性催化氧化制丙酮的性能。该工作构筑了具有超薄CuO层和丰富Au-CuO界面的Au-CuO Janus结构,揭示了Au-CuO界面高效活化β-C–H键的作用机制,为发展更多实现C–H键高选择性断裂的最大化界面位点构筑及结构优化策略提供了重要借鉴。

文信息

Synergy in Au-CuO Janus Structure for Catalytic Isopropanol Oxidative Dehydrogenation to Acetone

文章的第一作者是北京工业大学的博士研究生郭萌、马培杰和北京化工大学的博士研究生王甲一。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202203827


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