Mo2C/铋系半导体光催化剂制备及其选择性氧化苄胺性能研究

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亚胺,也称为席夫碱,是广泛用于合成医药、生物活性化合物以及精细化学品的多功能中间体。亚胺的传统制备工艺条件十分苛刻,需要昂贵的试剂(Au、Ru),反应过程中还会对环境造成污染。半导体光催化作为一种绿色、温和的方法,在氧化胺制备亚胺反应中具有广阔的应用前景。铋系半导体材料禁带宽度较窄,具有良好的可见光吸收能力和合适的能带结构,在光催化有机合成领域受到了广泛的关注。然而,铋系半导体材料存在光生载流子复合率高等问题,使其催化活性不高。引入助催化剂是解决上述问题的有效方法,以贵金属为代表的传统助催化剂由于价格昂贵,易流失等问题,限制了其应用。Mo2C是过渡金属碳化物(TMCs)的重要成员,其电子结构与贵金属Pt类似,是一种有望替代贵金属助催化剂的材料。
  本论文通过制备不同形貌的Mo2C分别与BiVO4、Bi2MoO6光催化材料进行复合以期促进载流子分离并提高其催化活性。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对催化剂的形貌、结构、组成等物理化学性质进行表征,研究催化剂的构效关系。
  论文的主要研究内容如下:
  1)通过高温煅烧制备Mo2C纳米棒,随后与BiVO4前驱体共沉淀并在500℃N2氛围下焙烧制备Mo2C/BiVO4复合光催化剂。作为一种有效的电子导体,Mo2C不仅有利于BiVO4导带中光生电子的转移从而促进O2?–的产生,而且可以有效地分离BiVO4的空穴-电子对,从而增强光催化活性。该Mo2C/BiVO4复合材料用于苄胺及其衍生物光催化选择性氧化制备亚胺时,表现出良好的光催化性能(转化率52-93%,选择性接近100%)。
  2)通过高温煅烧,将Mo2C量子点均匀负载在厚度为10?15nm的碳纳米片上制备得到Mo2C-QDs/C;然后采用水热法将Mo2C-QDs/C与Bi2MoO6纳米片复合制备得到Mo2C-QDs/C/Bi2MoO6。该复合材料对光催化选择性氧化苄胺制备N-苄烯丁胺反应具有很好的活性,可见光照射6h其转化率可达92%,选择性接近100%。材料优异的光催化性能可归因于(ⅰ)Mo2C的类贵金属性以及碳纳米片的高导电性,能够促进Bi2MoO6光生电子向Mo2C-QDs快速转移;(ⅱ)相较于Mo2C/BiVO4而言,Mo2C-QDs/C与Bi2MoO6片叠片的结构能够增大载流子的传输界面;(ⅲ)分离的光生电子能够与O2结合生成更多的O2?–提高光催化选择性氧化苄胺的能力。
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