Engineering Semiconductor Quantum Dots for Selectivity Switch on High-Performance Heterogeneous Coupling Photosynthesis

半导体 量子点 激进的 材料科学 光化学 选择性 纳米技术 光电子学 人工光合作用 有机半导体 光催化 化学 有机化学 催化作用
作者
Ming–Yu Qi,Marco Conte,Zi‐Rong Tang,Yi–Jun Xu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (10): 17444-17453 被引量:57
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c08652
摘要

Semiconductor-based photoredox catalysis brings an innovative strategy for sustainable organic transformation (e.g., C-C/C-X bond formation), via radical coupling under mild conditions. However, since semiconductors interact with photogenerated radicals unselectively, the precise control of selectivity for such organic synthesis by steering radical conversion is extremely challenging. Here, by the judicious design of a structurally well-defined and atomically dispersed cocatalyst over semiconductor quantum dots, we demonstrate the precise selectivity switch on high-performance selective heterogeneous coupling photosynthesis of a C-C bond or a C-N bond along with hydrogen production over the Ni-oxo cluster and single Pd atom-decorated CdS quantum dots crafted onto the SiO2 support. Mechanistic studies unveil that the Ph(•CH)NH2 and PhCH2NH2•+ act as dominant radical intermediates for such divergent organic synthesis of C-C coupled vicinal diamines and C-N coupled imines, as respectively enabled by Ni-oxo clusters assisted radical-radical coupling and single Pd atom-assisted radical addition-elimination. This work overcomes the pervasive difficulties of selectivity regulation in semiconductor-based photochemical synthesis, highlighting a vista of utilizing atomically dispersed cocatalysts as active sites to maneuver unselective radical conversion by engineering quantum dots toward selective heterogeneous photosynthesis.
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