Durch die Nutzung von Sonnenenergie zur Spaltung von CX-Bindungen in halogenierten organischen Verbindungen zur Bildung von CH-Bindungen kann nicht nur die Umweltverschmutzung kontrolliert, sondern auch wichtige organische Umwandlungsreaktionen erreicht werden.
In einer Studie veröffentlicht in ACS Angewandte Materialien und Schnittstellenberichtete eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Cao Rong vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften über ein CdS/Zn(impim)-gekoppeltes System, in dem die Elektronentransferkinetik der photokatalytischen Reduktion der CX-Bindung für CdS /Zn(impim)-Verbundwerkstoffe wurden untersucht.
Die Forscher synthetisierten CdS/Zn(impim) (MOF)-Punkt-auf-Stäbchen-Verbundfotokatalysatoren unter milden Bedingungen und charakterisierten die Struktur und Morphologie durch Pulverröntgenbeugung (PXRD), Rasterelektronenmikroskop (REM) und Transmissionselektronenmikroskop ( TEM).
Sie fanden heraus, dass CdS-Nanopartikel gleichmäßig auf der Oberfläche des stabförmigen Zn(impim)-MOF geladen sind, was die Trennung von Elektron-Loch-Paaren fördert.
Um die Richtung des Elektronentransfers von CdS zu Zn(impim) zu beweisen, haben die Forscher die Oberflächenarbeitsfunktionen mit dem Kelvin Probe Force Microscope (KPFM) gemessen. Die Fluoreszenzlebensdauer von CdS/Zn(impim) war im Vergleich zu CdS deutlich verkürzt. Die damit verbundene Elektronentransferkinetik wurde detailliert durch Fluoreszenzspektrum und Femtosekunden-Transientenabsorptionsspektroskopie (fs-TAS) spezifiziert.
Um die photokatalytische Leistung von CdS/Zn(impim) zu demonstrieren, wählten die Forscher α-Bromacetophenon, Brombenzonitril und ihre Derivate als Modellreaktionen.
Sie zeigten, dass die photokatalytische Dehalogenierungsaktivität des CdS/Zn(impim)-Komposits viel höher ist als die von CdS oder Zn(impim) allein. Der Katalysator wies eine gute Stabilität auf und die Morphologie und Struktur des Katalysators veränderte sich nach fünf aufeinanderfolgenden Zyklen offensichtlich nicht.
Bei der Dehalogenierungsreaktion von α-Bromacetophenon entdeckten die Forscher das Zwischenprodukt des Acetophenonradikals durch elektronenparamagnetische Resonanz (EPR) und bewiesen damit den Zwischenprozess der Reaktion.
Unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht werden die Elektronen in CdS angeregt und auf Zn(impim) übertragen, und Löcher werden in CdS zurückgehalten, was zu einer Ladungstrennung führt, wodurch der Ladungsrekombinationsprozess verlangsamt und letztendlich die Effizienz der photokatalytischen Dehalogenierung verbessert wird.
Diese Studie liefert ein tieferes Verständnis des Elektronentransfermechanismus in Halbleiter/MOF-Verbundwerkstoffen und des Prozesses der photokatalytischen Halogenid-Dehalogenierung sowie eine realisierbare Idee zur Entwicklung leistungsfähigerer photokatalytischer Materialien.
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Yanan Feng et al., Rational Design of Electron Transfer Kineties of CdS/Zn(impim) Dots-on-Rods for Efficient Visible-Light Reduced CX Bond, ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c07110