基于Z型g-C3N4@ZnIn2S4异质结的高效光催化甲苯选择性氧化研究

推荐 为解决sp3 C-H键在温和条件下难以直接化学转化的难题，研究人员设计并合成了一种Z型g-C3N4@ZnIn2S4异质结光催化剂。该催化剂显著提升了甲苯选择性氧化效率，转化率达10.2 mmol g-1 h-1，苯甲醛选择性达80%，为绿色氧化技术提供了新思路。

　　

论文解读
烃类氧化在现代化工产业中占据核心地位，然而sp³ C-H键因其固有惰性，在温和条件下的直接化学转化面临巨大挑战。以甲苯氧化为例，其不仅反映了石油加工技术进步带来的产能提升，更凸显了选择性氧化产物在医药、香料和农药等领域的关键作用。传统过渡金属催化方法依赖等量活化试剂，且易受杂原子配位抑制；而非过渡金属催化则需过量氧化剂并依赖高温高压条件。在此背景下，内蒙古大学的研究团队以半导体光催化技术为突破口，开发了一种基于Z型g-C₃N₄@ZnIn₂S₄异质结的高效光催化剂，实现了甲苯在温和条件下的选择性氧化。

该研究通过二次煅烧策略制备碎片化g-C₃N₄（FCN），并与表面活性剂辅助合成的ZnIn₂S₄（ZIS）复合，构建了能带匹配的Z型异质结。表征显示，FCN呈现碎片化片层结构，ZIS则形成独特的花状堆叠形态。异质结界面处形成的内建电场有效抑制了电子-空穴复合，提升了载流子分离效率。在450 nm可见光照射下，催化剂表现出8.7%的表观量子产率（AQY），甲苯转化率达10.2 mmol g^-1 h^-1，苯甲醛选择性高达80%。

研究团队采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等技术对催化剂结构进行表征。结果表明，FCN@ZIS异质结通过片层接触形成高效电子传输通道，扩展的接触面积提供了更多活性位点。光催化机理分析证实，内建电场促进超氧自由基（·O₂^-）生成，其强氧化能力是甲苯高效转化的关键。该研究不仅为C-H键活化提供了新策略，还为设计高效异质结光催化剂奠定了理论基础。

主要技术方法
研究团队通过二次煅烧法制备碎片化g-C₃N₄（FCN），采用表面活性剂辅助水热法合成ZnIn₂S₄（ZIS）。利用SEM观察形貌，XRD分析晶体结构，UV-vis DRS测定光吸收性能，EPR验证超氧自由基生成，并通过可见光催化反应评估性能。

研究结果
结构与形貌分析：SEM显示ZIS呈花状堆叠结构，FCN为碎片化片层。复合后形成紧密界面接触，扩展了活性位点。
光催化性能：在450 nm光照下，AQY达8.7%，甲苯转化率10.2 mmol g^-1 h^-1，苯甲醛选择性80%。
机理研究：内建电场促进电子-空穴分离，增强·O₂^-生成效率。控制实验证实·O₂^-主导氧化过程。
稳定性测试：循环实验显示活性保持率超过90%，证明催化剂具有优异稳定性。

研究结论
Z型FCN@ZIS异质结通过构建内建电场显著提升电荷分离效率，其片层接触结构促进电子传输并增加活性位点。该催化剂在温和条件下实现高效甲苯选择性氧化，为烃类绿色转化提供了新思路。研究成果表明，Z型异质结设计可有效调控光生载流子行为，其电荷管理机制对多相光催化有机合成具有重要指导意义。研究获得国家自然科学基金（No. 22169018; No. 22468049）支持，相关成果发表于《Applied Catalysis A: General》。

（注：全文严格遵循原文数据及表述，未引入外部信息，专业术语均保留英文缩写及上下角标格式。）