Efficient Benzylic C–H Bond Activation over Single-Atom Yttrium Supported on TiO2 via Facilitated Molecular Oxygen and Surface Lattice Oxygen Activation

催化作用 光化学 化学 氧气 苯甲醛 甲苯 光催化 有机化学
作者
Zhen Xue,Jiangrong Yang,Lina Ma,H B Li,Lan Luo,Kaiyue Ji,Zhenhua Li,Xianggui Kong,Mingfei Shao,Lirong Zheng,Ming Xu,Haohong Duan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (1): 249-261 被引量:107
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c04484
摘要

Selective activation of C(sp3)–H bonds is important for value-added chemical production, but it remains challenging to proceed under moderate conditions. Herein, we report single-atom yttrium supported on TiO2 (Y1/TiO2) as a catalyst for photocatalytic benzylic C–H bond activation at room temperature. In toluene oxidation, it exhibits a toluene conversion rate of 850 μmol g–1 h–1 with a high benzaldehyde selectivity of 94.1%. Experimental data show that abundant Y1δ+–O–Ti3+ (δ > 3) sites are formed at the interface with strong electronic metal–support interactions, inducing highly spin-polarized electrons that facilitate charge separation. Furthermore, the single-atom Y species promote the formation of oxygen vacancies and lead to lattice distortion on TiO2, which facilitates molecular oxygen and surface lattice oxygen activation. These reactive oxygen species can directly react with benzyl radical under light irradiation to produce benzaldehyde and hence increase the photocatalytic performance. This work shows the great potential of rare-earth single-atom catalysts in C(sp3)–H bond activation under mild conditions driven by renewable solar energy.
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