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Tuning the Active Oxygen Species of Two-Dimensional Borophene Oxide toward Advanced Metal-Free Catalysis

硼酚 催化作用 金属 氧气 氧化物 材料科学 纳米技术 过渡金属 化学工程 化学 石墨烯 冶金 有机化学 工程类
作者
Qingqing Gu,Haojian Lin,Chaowei Si,Zhen Wang,Aiqin Wang,Liu Fei,Bo Li,Bing Yang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (44): 30574-30583 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c09002
摘要

Two-dimensional (2D) borophene materials are predicted to be ideal catalytic materials due to their structural analogy to graphene. However, the lack of chemical functionalization of borophene hinders its practical application in catalysis. Herein, we reported a massive production of freestanding few-layer 2D borophene oxide (BO) sheets with tunable active oxygen species by a moderate oxidation-assisted exfoliation method. State-of-the-art characterizations demonstrated the evolution of active oxygen species from surface B-O species at the initial stage to the intermediate BxOy (1.5 < x/y < 3) species and eventually to bulk B2O3 with an increasing oxidation duration. As a result, the 2D BO sheet with enhanced B-O species exhibited a strikingly high catalytic activity for the aerobic oxidation of benzylamine into N-benzylidenebenzylamine. The formation rate of imine reaches as high as 29.7 mmol gcatal-1 h-1 under mild reaction conditions, higher than that of pristine borophene, boron oxides, graphene oxide, and other metal/metal-free catalysts in the reported literature. Density functional theory calculations further revealed the critical role of surface B-O species, which favor the adsorption and N-H activation of benzylamine for high activity and suppress the deep dehydrogenation, yielding an outstanding imine selectivity (>90%). This work paves the route for a moderate and scalable synthesis of few-layer BO sheets with highly active B-O species toward advanced metal-free catalysis beyond graphene.

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