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南京大學李朝升團隊開發了一種低配位單原子鉬（Mo）催化劑，將其負載于超薄ZnIn?S?納米片上，顯著提升了光催化醇類無受體脫氫反應的效率。該催化劑通過優化光生空穴的驅動力和壽命，加速了C-H鍵的活化，實現了45.2%的內量子效率（400 nm）和99%的苯甲醛選擇性。研究結合實驗與理論計算，揭示了單原子鉬在空穴捕獲和反應動力學中的關鍵作用。

背景介紹

醇類氧化為羰基化合物是有機合成中的重要反應，傳統方法依賴TEMPO等催化劑，但存在產物分離困難、質子利用率低等問題。光催化無受體脫氫反應通過釋放清潔能源氫氣，具有原子經濟性和綠色化學潛力。然而，C-H鍵斷裂的緩慢動力學限制了反應效率。單原子催化劑（SACs）因其精確的原子級調控能力成為研究熱點，但如何高效利用光生空穴促進C-H鍵活化仍具挑戰性。 

本文亮點

（1）高效催化性能：單原子鉬催化劑（Mo?/ZnIn?S?）在苯甲醇脫氫反應中表現出45.2%的內量子效率和99%的苯甲醛選擇性，遠超傳統催化劑。

（2）空穴利用優化：低配位鉬原子通過調控局部電子結構，在500飛秒內捕獲光生空穴，延長空穴壽命2.6倍，擴散長度提升3.4倍。

（3）機制解析：結合瞬態吸收光譜、原位紅外和EPR等技術，揭示了C-H鍵活化的速率決定步驟及Marcus理論在電子轉移中的應用。

（4）普適性驗證：催化劑對多種伯醇和仲醇均表現出高活性和選擇性，展現了廣泛的應用潛力。

圖1：催化劑結構表征

圖（a）TEM顯示超薄ZnIn?S?納米片（厚度~2.84 nm），超薄結構有利于光生載流子的快速遷移和表面反應。圖（b） HAADF-STEM證實鉬單原子（綠色圓圈）占據鋅空位（紅色圓圈），證實Mo原子精確占據Zn空位，形成低配位結構（配位數3.7）。圖（c）拉曼光譜顯示Mo-S鍵振動峰（401 cm?1），排除MoS?等雜質，排除鉬團簇或氧化物，驗證單原子分散。圖（d-f）XANES和EXAFS XANES顯示Mo價態為+5（介于Mo??和Mo??之間）；EXAFS擬合表明Mo-S鍵長2.41 ?，無Mo-Mo鍵。

圖2：催化性能評估

圖（a）苯甲醇轉化率96%，苯甲醛選擇性99%，氫氣產量顯著提升，說明單原子Mo大幅提升C-H活化效率。圖（b）循環測試顯示催化劑穩定性良好。圖（c）400 nm光下的高內量子效率（45.2%），表觀量子效率（AQE）16.9%，說明高效利用光能，接近理論極限。圖（f）Hammett曲線斜率ρ=-0.66，線性擬合優度R2=0.96，證實反應由光生空穴驅動的親電機制主導。

圖3：反應機制研究

圖（a）18O標記實驗顯示產物BAD的氧原子完全來自苯甲醇；α,α-d?苯甲醇生成100%氘代BAD，表明反應路徑為兩步脫氫（C-H→O-H），無外界氧參與。圖（b）原位紅外顯示C-H鍵斷裂先于O-H鍵，生成醛基（1694 cm?1）。圖（c）的EPR檢測到DMPO-CH(OH)Ph自旋加合物，證實C-H鍵斷裂為關鍵步驟。圖（d）Mo?/ZnIn?S?的電子轉移速率（kET）是純ZnIn?S?的6倍，說明單原子Mo顯著加速C-H鍵電子轉移。

圖4：載流子動力學

圖（a-b）瞬態吸收圖顯示Mo?/ZnIn?S?在550 nm（空穴吸收）信號更強且衰減更慢，說明Mo位點高效捕獲空穴，抑制復合。圖（e-f）顯示，空穴壽命延長至703.3 ps，擴散長度顯著增加，說明低配位Mo優化空穴遷移路徑。圖（h-i）表明，PL和EIS表明單原子鉬抑制載流子復合，提升電荷轉移效率。

圖5：理論計算

圖（a-b）PDOS顯示Mo 4d軌道在HOMO能級貢獻新電子態，接近費米能級，Mo位點作為空穴陷阱，優化反應驅動力。圖（d）自由能計算表明Mo?/ZnIn?S?降低C-H鍵活化能壘（0.91 eV vs. 1.66 eV）。圖（g）反應機理示意圖顯示，鉬原子捕獲空穴，促進C-H鍵斷裂和中間體穩定，闡明“空穴捕獲-電子轉移-脫氫”全流程。

總結與展望

本研究通過精準構筑低配位單原子Mo催化劑，實現了光催化C-H鍵活化的高效空穴利用，解決了醇類脫氫反應中空穴利用率低、動力學緩慢的核心難題。結合超快光譜、原位表征與理論計算，闡明了“空穴捕獲-電子轉移-脫氫”的全反應機制，為單原子光催化劑設計提供了新范式。未來展望可拓展反應類型，探索C-H鍵活化在其他有機轉化（如烷烴氧化、C-C偶聯）中的應用，并可以優化催化劑結構，通過調整Mo單原子的負載量、ZnIn2S4納米片的厚度和形貌等參數，進一步優化催化劑的結構和性能，提高光催化效率和選擇性。

通訊作者簡介

李朝升，國家杰青，南京大學現代工程與應用科學學院教授。中國可再生能源學會光化學專業委員會委員。2003年獲得中國科學院研究生院博士學位；2003-2005年在南京大學環境材料與再生能源研究中心從事博士后研究工作（其間2004年2-3月在日本國家材料研究所做訪問學者）； 2005年11月起在南京大學材料系工作；2007年6-8月在日本國家材料研究所 ICYS做訪問研究；2006年12月晉升副教授；2011 年12月晉升教授。主要從事能源材料和環境材料方面的研究工作。研究方向為光催化材料（用于光催化分解水制氫、光催化還原CO2 制備碳氫燃料等）、新型光電極材料（用于太陽能-化學能轉化、光電轉換等）、環境材料（用于天然氣催化脫硫等）在Nat. Mater.、Nat. Sustain.、Joule、PNAS、Natl. Sci. Rev.、Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等國內外學術期刊上發表論文200余篇；論文被引用2.5萬余次。授權國家發明專利21件。

本文使用的原位紅外漫反射池由合肥原位科技有限公司研發，感謝老師支持和認可。

原位紅外漫反射池：

產品參數：

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· 反應池腔帽有三個窗口，其中兩個為紅外窗口，一個為石英窗口，用于引入外部光源（光催化激發光源）或作為觀察窗口使用；

· 提供三個入口/出口，用于抽空池體和引入氣體,可在反應池中形成VOCs、CO2等反應氣,反應尾氣先通入安全瓶再經特定溶液吸收后排至室外,各路氣體均通過質量流量計來控制流量,反應氣路操作界面方便友好，易于操作；

· 可定制各類光學窗口，可選配高溫拉曼池蓋。