Photocatalytic Selective Oxidation of HMF Coupled with H2 Evolution on Flexible Ultrathin g-C3N4 Nanosheets with Enhanced N–H Interaction

光催化 催化作用 石墨氮化碳 脱氢 分子 密度泛函理论 电子顺磁共振 选择性 化学工程 光化学 化学 多相催化 计算化学 有机化学 核磁共振 工程类 物理
作者
Xiaolei Bao,Mu Liu,Zeyan Wang,Dujuan Dai,Peng Wang,Hefeng Cheng,Yuanyuan Liu,Zhaoke Zheng,Ying Dai,Baibiao Huang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (3): 1919-1929 被引量:125
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05357
摘要

Solar-driven catalytic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) into 2,5-diformylfuran (DFF) coupled with H2 evolution has been considered a promising approach. The exploration of an active and stable photocatalyst still remains challenging work. Herein, we found that the flexible ultrathin graphitic carbon nitride (UCNT) could be an ideal candidate. The UCNT exhibits photocatalytic performance in selective oxidation of HMF into DFF coupled with H2 evolution with activities of 95.0 and 92.0 μmol g–1 h–1 under visible light irradiation. Importantly, the UCNT also demonstrates high DFF selectivity (95%) and good cycling stability. The activity may be ascribed to the strong specific interaction between HMF and UCNT. Solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) and density functional theory (DFT) results reveal that the twisted structure of HMF molecules could form a strong interaction between HMF and UCNT, reducing the dehydrogenation energy barrier for HMF oxidation. In addition, mechanistic studies reveal that •C6H4O3 is the key radical intermediate during the HMF oxidation process by a in situ electron spin resonance (ESR) trapping test. Our work clarifies the interaction of complex biomass molecules on the flexible catalyst surface and provides views on the further development of heterogeneous catalytic biomass conversion.
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