选择氧化反应通常需要在高温、高压条件中活化O₂，这严重限制了氧化反应的应用。因此，日本国立材料科学研究所NIMS叶金花、北京化工大学项顼、北京师范大学闫东鹏通过自由基接力（radical relay）方法实现了将光电水氧化反应与苯甲醇氧化为苯甲醛反应协同进行，实现了温和条件、常压进行氧化反应。该方法中在FTO电极上沉积BiVO₄，随后在其上负载薄层（~3 nm）厚度的LDH层状化合物和石墨烯得到光阳极，这种复合结构的光阳极在苯甲醇转化为苯甲醛的反应中有>99 %的选择性（1.2 V vs. RHE）。机理验证实验和DFT模拟显示了反应中·OH自由基反应过程，水氧化反应生成的·OH通过氢键作用吸附在LDH催化剂的界面上，从而降低了氧化反应过程中的活化能。红外光谱测试显示，苯甲醇吸附在LDH催化剂界面上，生成的苯甲醛无法吸附在界面上。通过·OH的氧化作用和产物的易脱附性质抑制了过度氧化（副反应）实现了反应的高选择性。

文章要点：

(1）光电极制备方法。在FTO上通过电化学沉积方法生长BiVO₄（FTO浸渍在Bi(NO₃)₃·5H₂O溶液中，在-0.6 V中进行600 s的电化学沉积反应）。将电化学反应的Bi@FTO电极浸渍在0.2 mL VO(acac)₂ DMSO溶液中，随后在450 ℃中加热处理2 h。通过NaOH溶液处理，除去多余的V₂O₅。

      通过水热方法合成石墨烯/LDH/BiVO复合电极。将上步的电极沉积在15 mM Co(NO₃)₂, 5 mM Al(NO₃)₃，50 mM尿素，20 mM NH₄F溶液，加入石墨烯并进行水热反应，于100 ℃中反应4 h。在水热过程中通过加入丙酮溶液进行水热反应，实现了生成超薄的LDH。

(2）催化反应情况。在10 mL PBS (0.1 M, pH 7)中加入2 mmol 苯甲醇，N₂吹扫30 min，在模拟太阳光的条件中进行光电催化反应，电压1.2 V，反应时间4 h。结果显示超薄的LDH催化剂有最好的催化反应活性，苯甲醇的转化率为21.5 %，产生了425.7 μmol 苯甲醛，选择性> 99 %。对比样品：BiVO₃光电极转化率为2.4 %，苯甲醛选择性为90.2 %；超薄LDH/BiVO₃复合电极的转化率为12.2 %，苯甲醛的选择性为98.3 %。

(3）催化反应机理研究。通过同位素标记法对H₂¹⁸O进行反应，通过GC-MS质谱检测发现了¹⁸O标记的苯甲醛，说明反应中水中的氧转移到产物中。通过调节反应溶液中H₂¹⁸O的含量比例，发现苯甲醛中的¹⁸O产物的量随着溶液中的H₂¹⁸O含量提高而增加。通过反应体系中加入H₂O₂后体系中的·OH在ESR中的信号进行表征。通过自由基捕获反应对3 min，6 min，9 min的自由基情况进行表征。通过FTIR方法验证光电极表面上的吸附物种，气相状态的苯甲醇有OH振动的1208 cm^-1和C-O振动的1079 cm^-1，吸附在LDH表面，峰发生了偏移（OH振动的变弱，C-O振动峰转移到1057 cm^-1），这个结果说明苯甲醇通过C-O键进行吸附。通过对比Co­₃O₄上对苯甲醛的吸附（展现了1684 cm^-1），在LDH上吸附的情况中红外光谱未显示有相关吸收，说明苯甲醛难以在LDH材料上吸附。

        作者对多种不同结构（不同的芳基取代：对位F，Cl，Br，CH₃取代）的苯甲醇氧化反应进行探索。这几种醇都有97~99 %的醛选择性，转化率显示：苯甲醇的转化率为7.5 %，对甲基苯甲醇的转化率为9.4 %，对氟、对氯、对溴苯甲醇的转化率分别为7.2 %，6.3 %，7.6 %，选择性分别为>99 %，98 %，>99%。

参考文献

Lan Luo; Zhou-jun Wang; Xu Xiang*; Dongpeng Yan*; Jinhua Ye*

Selective Activation of Benzyl Alcohol Coupled with Photoelectrochemical Water Oxidation via a Radical Relay Strategy，ACS Catal. 2020, 10, XXX, 4906-4913, 

DOI: 10.1021/acscatal.0c00660

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.0c00660