近日，化学科学与工程学院方文浩教授课题组通过化学还原沉淀法制备了具有p-n异质结的（Cu₂O)x‖TiO₂光催化剂，实现了以H₂O为反应溶剂，O₂作为氧化剂，在无任何添加剂条件下高效利用太阳光催化氧化HMF制DFF。该工作通过改变两种半导体的比例和二氧化钛的晶相调控了催化剂的能带结构，并深入研究了光化学反应机理。相关成果以“Sunlight-driven photocatalytic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural over a cuprous oxide-anatase heterostructure in aqueous phase”为题发表在催化领域著名期刊Applied Catalysis B: Environmental（IF=24.319，https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122006）。论文的第一作者为2020级硕士研究生张奇钊。

将5－羟甲基糠醛（HMF）选择氧化为2,5－二甲酰基呋喃（DFF）是糠醛类生物质平台分子转化利用的重要途径之一。DFF是合成糠基生物聚合物、药物中间体、杀菌剂以及荧光剂等精细化学品的重要单体。传统的热催化氧化技术通常依赖于苛刻的温度和氧压，容易诱发安全和环境隐患。因此，迫切需要开发在温和条件下高效转化HMF为DFF的环境友好型催化体系。

研究发现Cu₂O的含量决定HMF的转化率，而TiO₂的晶相（即锐钛矿和金红石）影响DFF的选择性。研究揭示了光生空穴（h+）会将HMF深度氧化为CO₂，而单线态氧（1O2）能够将HMF选择氧化为DFF。p-n异质结的形成不仅抑制了TiO₂上羟基自由基（•OH）的产生，而且还促进了O₂在Cu₂O上活化产生1O2。因此，p-n异质结的形成增强了Cu₂O的氧化还原能力，同时还增强了TiO₂对光的利用效率。最终，(Cu₂O)0.16‖Ti_O2(A）催化剂在水相、35℃、10 mL min-1氧气流和模拟太阳光下，达到64.5 mg gcatal.-1 h-1的DFF生成速率。这是目前文献报道的以水为反应介质、金属氧化物为光催化剂的最佳结果。此外，该催化剂可直接在太阳光和空气下工作，且多次循环使用未见失活。

该工作获得了国家自然科学基金、云南省“优青”及“后备人才”项目，以及云南大学“青年英才计划”的资助。

图1. Z型（Cu₂O)0.16‖TiO₂（锐钛矿）的能带和电荷转移过程示意图

供稿：化学科学与工程学院

编辑：李哲

责任编辑：王崴