Nitrogen-Doped Graphene Nanosheets as Metal-Free Catalysts for Aerobic Selective Oxidation of Benzylic Alcohols

催化作用 石墨烯 苯甲醇 酒精氧化 贵金属 化学 加合物 氧化态 无机化学 材料科学 氧化还原 金属 过渡金属 光化学 有机化学 纳米技术
作者
Jinlin Long,Xiuqiang Xie,Jie Xu,Quan Gu,Liming Chen,Xuxu Wang
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:2 (4): 622-631 被引量:364
标识
DOI:10.1021/cs3000396
摘要

This work demonstrates the molecular engineering of active sites on a graphene scaffold. It was found that the N-doped graphene nanosheets prepared by a high-temperature nitridation procedure represent a novel chemical function of efficiently catalyzing aerobic alcohol oxidation. Among three types of nitrogen species doped into the graphene lattice—pyridinic N, pyrrolic N, and graphitic N—the graphitic sp2 N species were established to be catalytically active centers for the aerobic oxidation reaction based on good linear correlation with the activity results. Kinetic analysis showed that the N-doped graphene-catalyzed aerobic alcohol oxidation proceeds via a Langmuir–Hinshelwood pathway and has moderate activation energy (56.1 ± 3.5 kJ·mol–1 for the benzyl alcohol oxidation) close to that (51.4 kJ·mol–1) proceeding on the catalyst Ru/Al2O3 reported in literature. An adduct mechanism was proposed to be different remarkably from that occurring on the noble metal catalyst. The possible formation of a sp2 N–O2 adduct transition state, which can oxidize alcohols directly to aldehydes without any byproduct, including H2O2 and carboxylic acids, may be a key element step. Our results advance graphene chemistry and open a window to study the graphitic sp2 nitrogen catalysis.
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