Single‐Atoms on Crystalline Carbon Nitrides for Selective C─H Photooxidation: A Bridge to Achieve Homogeneous Pathways in Heterogeneous Materials

催化作用 苯甲醛 X射线吸收光谱法 均相催化 材料科学 甲苯 选择性 吸收光谱法 组合化学 光化学 无机化学 化学 有机化学 物理 量子力学 冶金
作者
Marcos A. R. da Silva,Nadezda V. Tarakina,José B.G. Filho,Carla S. Cunha,Guilherme F. S. R. Rocha,Gabriel Ali Atta Diab,Rômulo A. Ando,Aleksandr Savateev,Iker Agirrezabal-Tellería,Ingrid F. Silva,Sara Stolfi,Paolo Ghigna,Maurizio Fagnoni,Davide Ravelli,Piero Torelli,Luca Braglia,Ivo F. Teixeira
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (52) 被引量:14
标识
DOI:10.1002/adma.202304152
摘要

Single-atom catalysis is a field of paramount importance in contemporary science due to its exceptional ability to combine the domains of homogeneous and heterogeneous catalysis. Iron and manganese metalloenzymes are known to be effective in C─H oxidation reactions in nature, inspiring scientists to mimic their active sites in artificial catalytic systems. Herein, a simple and versatile cation exchange method is successfully employed to stabilize low-cost iron and manganese single-atoms in poly(heptazine imides) (PHI). The resulting materials are employed as photocatalysts for toluene oxidation, demonstrating remarkable selectivity toward benzaldehyde. The protocol is then extended to the selective oxidation of different substrates, including (substituted) alkylaromatics, benzyl alcohols, and sulfides. Detailed mechanistic investigations revealed that iron- and manganese-containing photocatalysts work through a similar mechanism via the formation of high-valent M═O species. Operando X-ray absorption spectroscopy (XAS) is employed to confirm the formation of high-valent iron- and manganese-oxo species, typically found in metalloenzymes involved in highly selective C─H oxidations.
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