福建農林大學袁占輝教授ACS Catalysis：S型異質結高效解聚木質素C-O鍵

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C-O鍵是木質素結構中芳香單元之間的主要連接鍵，占連接鍵的40%以上，而目前C-O鍵主要通過催化的方式來實現高效斷裂。相較于傳統催化解聚木質素，光催化因其具有獨特的反應活性物種以及溫和的反應條件使得對C-O鍵斷裂的選擇性更好。所以如何對光催化劑進行構筑是實現木質素高效選擇性解聚的關鍵因素。基于此，本研究報道了一種Ce₂S₃/TiO₂?S型異質結光催化劑，用于對木質素模型底物C-O鍵的高效選擇性斷裂。利用Ce₂S₃納米顆粒和TiO₂納米棒進行復合成功構建S型異質結，增加了對可見光吸收范圍，進一步增強了光生電子-空穴對的分離，從而獲得較高的催化活性。以2-苯氧基-1-苯乙酮（PP-one）為模型底物，僅在LED燈光照射下，獲得苯酚收率為94%，苯乙酮收率為80%。

圖1. Ce₂S₃/TiO₂?S型異質結光催化裂解PP-one的過程示意圖

通過原位XPS以及密度泛函理論（DFT）計算等手段，本研究提出了Ce₂S₃/TiO₂?S型異質結光催化劑對木質素模型化合物PP-one轉化的機制。在光照過程中，Ce₂S₃和TiO₂中價帶（VB）的電子被激發到它們的導帶（CB），從而在VB中留下空穴。由于Ce₂S₃與TiO₂之間構筑的異質結界面，Ce₂S₃?VB中的空穴與TiO₂?CB中的電子進行流動復合，從而導致TiO2?VB中的空穴和Ce₂S₃?CB中的電子獲得大量累積。因此，異質結結構的形成顯著地增強了光生電子-空穴對的分離。在空穴犧牲劑的輔助作用下，光生電子成為C-O鍵斷裂生成苯酚和苯乙酮的主要活性物種，進而實現了對木質素模型底物C-O鍵的高效斷裂。

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該研究以“Harnessing the Synergistic Power of Ce₂S₃/TiO₂?S?Scheme Heterojunctions for Profound C?O Bond Cleavage in Lignin Model Compounds”為題發表于ACS Catalysis。福建農林大學材料工程學院博士研究生廖洪武為第一作者，袁占輝教授為通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c00297

摘要：福建農林大學材料工程學院袁占輝教授團隊提出了一種通過構建S型異質結，提高光生載流子分離效率，進而實現對木質素模型底物C-O鍵的高效斷裂。