Photocatalytic Partial Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to 2,5-Diformylfuran Using Exfoliated g-C3N4/Pd Nanoarchitectures

单线态氧 石墨氮化碳 光化学 氧气 光催化 纳米颗粒 系统间交叉 单重态 碳纤维 催化作用 化学 部分 材料科学 纳米技术 有机化学 复合数 激发态 物理 复合材料 核物理学
作者
Ahmed E. ElMetwally,Mostafa Saad Sayed,Yiqun Zhou,Justin B. Domena,Jae‐Jin Shim,Roger M. Leblanc,Marc R. Knecht,Leonidas G. Bachas
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (37): 15671-15684 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c04186
摘要

Graphitic carbon nitride (g-C 3 N 4 ) can trigger the photocatalytic partial oxidation of HMF to produce 2,5-diformylfuran (DFF), yet limitations still exist in improving its performance. Herein, Pd nanoparticles were deposited over thermally exfoliated g-C 3 N 4 (Ex-g-C 3 N 4 ) to boost its activity. Graphitic sheets with a thickness of ∼1.2–1.6 nm were obtained and then decorated with spherical Pd nanoparticles with a size of 2.0–2.5 nm. A maximum concentration of DFF (148.5 ± 4.9 μM) was obtained over the Ex-g-C 3 N 4 /Pd with 6% (w/w) deposited Pd with a product selectivity toward DFF of 42.9 ± 0.6%. Our results revealed that the extent of DFF production is directly proportional to the Pd content until 6% (w/w), and beyond that it declines. Trapping experiments and EPR analysis showed that singlet oxygen is the dominant species responsible for the selective oxidation of HMF to DFF. Our mechanistic study suggests that triplet excitons are generated via intersystem crossing, which then react with molecular oxygen to produce singlet oxygen. Furthermore, intrinsic reaction coordinate and energy barrier calculations indicated that the reaction is thermodynamically allowable. Our study reveals that singlet oxygen is capable of abstracting hydrogen atoms from the α carbon and hydroxyl moiety of HMF to eventually produce DFF. This work provides deep insight into the benefits of exploiting Pd nanoparticles to enhance production of singlet oxygen over g-C 3 N 4, which in turn enhances the production of DFF.
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