物理化学学报 | 郑州大学陈海军/李一珂团队：BiOCl表面掺杂石墨烯实现可见光下高效光催化胺偶联

主要亮点

以葡萄糖为碳源制备碳掺杂BiOCl光催化剂，碳掺杂剂富集于晶体表面或浅层晶格；室温可见光下，苄胺自偶联转化率超99%，是纯BiOCl的12倍，且具有良好官能团耐受性与晶面依赖活性，为高效光催化剂设计提供新思路。

研究背景

亚胺是农用化学品、药物等生物活性含氮化合物的关键中间体，传统合成方法存在反应条件难控制、环保性差、能耗高等问题。光催化作为可持续工艺，在化学转化领域优势显著，但现有光催化剂存在可见光响应弱、光生载流子分离效率低等瓶颈。BiOCl作为层状光催化剂，虽具有自建内建电场，但其宽带隙限制了可见光利用，催化活性仍需提升，亟需开发新型改性策略。

核心内容

1.碳掺杂BiOCl的制备与结构特性

通过水热法以葡萄糖为碳源，成功合成碳掺杂BiOCl（C-BOC）光催化剂。XRD表征证实碳掺杂未改变BiOCl的晶格结构，但使晶粒尺寸减小；SEM和TEM观察到C-BOC纳米片自组装形成花状微球，且厚度变薄。XPS与拉曼光谱验证碳掺杂剂为石墨烯，主要与晶格氧形成C-O/C=O键，且C-BOC-3样品中单层/双层石墨烯浓度最高。

2.光催化性能与晶面依赖性

室温可见光、分子氧为氧化剂的条件下，C-BOC-3表现出最优催化活性，苄胺转化率达99%，亚胺选择性保持99%，反应动力学符合一级反应（速率常数0.029 min^–1）。晶面依赖性研究表明，暴露(010)晶面的C-BOC活性显著高于(001)晶面，前者开放通道结构更利于苄胺吸附与光反应，碳掺杂对其活性提升幅度达12倍。

3.增强机制与反应路径

综合表征与理论计算揭示：碳掺杂在BiOCl带隙中形成掺杂能级，拓宽可见光吸收范围并降低功函数；增强内建电场，单层/双层石墨烯快速捕获高能级导带电子，抑制电子-空穴复合；同时促进O₂活化为超氧自由基（O₂⁻），该物种是胺氧化偶联的主要活性物种。光电化学测试证实C-BOC具有更高光电流密度和更低电荷转移电阻，光致发光强度显著降低，电荷分离效率大幅提升。

结论与展望

本研究通过石墨烯表面/浅层晶格掺杂改性BiOCl，协同优化了可见光响应、电荷分离效率与O₂活化能力，实现了室温可见光下胺类高效定向转化为亚胺。该碳掺杂策略为设计低成本、高活性、高稳定性的光催化剂提供了新范式，有望推动绿色有机合成领域的发展。

原文链接

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.1016/j.actphy.2025.100202

通讯作者简介

陈海军，郑州大学化学学院副教授。2018年于中科院大连化学物理研究所获博士学位，主要从事纳米材料制备、光催化制备有机精细化学品、光催化生物质转化等领域研究，主持过国家自然科学基金青年项目。

李一珂，郑州大学化学学院讲师。2019年于北京师范大学获分析化学博士学位，主要聚焦半导体光催化分解水、发光材料在生物及传感领域的应用研究，在相关领域持续开展创新探索。