Preparation, characterization and catalytic performance of single-atom catalysts

doi:10.1016/S1872-2067(17)62770-0

Abstract

Abstract:

Supported and colloidal single-atom catalysts (SACs), which possess excellent catalytic properties, are particularly important in both fundamental studies and practical applications. The progress made in the preparation methods, characterization, catalytic performances and mechanisms of SACs anchored to metal oxides, two-dimensional materials and the surface of metal nanoclusters (NCs) are reviewed. The different techniques for SAC fabrication, including conventional solution methods based on co-precipitation, incipient wetness co-impregnation, and the chemical vapor deposition method, as well as the newer atom layer deposition (ALD) and galvanic replacement methods, are summarized. The main results from experimental and theoretical studies of various catalytic reac-tions over SACs, including oxidation reactions, hydrogenation, water gas shift, photocatalytic H₂ evolution and electrochemical reactions, are also discussed. Moreover, the electronic properties of the single atoms and their interactions with the supports are described to assist in understanding the origin of the high catalytic activity and selectivity of SACs. Finally, possible future research di-rections of SACs and their applications are proposed.

Key words: Single atom catalyst, Preparation method, Catalytic activity, Characterization, Electronic properties

Liqiong Wang, Liang Huang, Feng Liang, Simin Liu, Yuhua Wang, Haijun Zhang. Preparation, characterization and catalytic performance of single-atom catalysts[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(9): 1528-1539.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(17)62770-0

https://www.cjcatal.com/EN/Y2017/V38/I9/1528

References

[1] P. Wang, H. Z. Liu, J. R. Niu, R. Li, J. Ma, Catal. Sci. Technol., 2014, 4, 1333-1339.
[2] Z. Balogh, G. Halasi, B. Korbély, K. Hernadi, Appl. Catal. A, 2008, 344, 191-197.
[3] M. Lewandowski, G. S. Babu, M. Vezzoli, M. D. Jones, R. E. Owen, D. Mattia, P. Plucinski, E. Mikolajska, A. Ochenduszko, D. C. Apperley, Catal. Commun., 2014, 49, 25-28.
[4] H. J. You, S. C. Yang, B. J. Ding, H. Yang, Chem. Soc. Rev., 2013, 42, 2880-2904.
[5] G. Halasi, I. Ugrai, F. Solymosi, J. Catal., 2011, 281, 309-317.
[6] M. H. Liu, W. Y. Yu, H. F. Liu. J. Mol. Catal. A, 1999, 138, 295-303.
[7] H. J. Zhang, W. Q. Li, Y. J. Gu, S. W. Zhang, J. Nanosci. Nanotechnol., 2014, 14, 5743-5751.
[8] H. J. Zhang, N. Toshima, J. Colloid Interface Sci., 2013, 394, 166-176.
[9] H. J. Zhang, M. Okumura, N. Toshima, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 14883-14891.
[10] S. Vajda, M. J. Pellin, J. P. Greeley, C. L. Marshall, L. A. Curtiss, G. A. Ballentine, J. W. Elam, S. Catillon-Mucherie, P. C. Redfern, F. Mehmood, P. Zapol, Nat. Mater., 2009, 8, 213-216.
[11] J. Lin, B. T. Qiao, N. Li, L. Li, X. C. Sun, J. Y. Liu, X. D. Wang, T. Zhang, Chem. Commun., 2015, 51, 7911-7914.
[12] M. Turner, V. B. Golovko, O. P. Vaughan, P. Abdulkin, A. Ber-enguer-Murcia, M. S. Tikhov, B. F. Johnson, R. M. Lambert, Nature, 2008, 454, 981-983.
[13] X. F. Yang, A. Q. Wang, B. T. Qiao, J. Li, J. Y. Liu, T. Zhang, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1740-1748.
[14] P. P. Hao, Y. Y. Jin, J. Ren, Z. Li, Prog. Chem., 2015, 27, 1689-1704.
[15] B. Long, Y. Tang, J. Li, Nano Res., 2016, 9, 3868-3880.
[16] P. Wu, P. Du, H. Zhang, C. X. Cai, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 1441-1449.
[17] B. L. He, J. S. Shen, Z. X. Tian, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 24261-24269.
[18] J. X. Liang, X. Yang, A. Q. Wang, T. Zhang, J. Li, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 6886-6892.
[19] H. J. Zhang, T. Watanabe, M. Okumura, M. Haruta, N. Toshima, Nat. Mater., 2012, 11, 49-52.
[20] B. T. Qiao, A. Q. Wang, X. F. Yang, L. F. Allard, Z. Jiang, Y. T. Cui, J. Y. Liu, J. Li, T. Zhang, Nat. Chem., 2011, 3, 634-641.
[21] X. R. Cao, Y. F. Ji, Y. Luo, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 1016-1023.
[22] G. Vile, D. Albani, M. Nachtegaal, Z. P. Chen, D. Dontsova, M. Anto-nietti, N. Lopez, J. Perez-Ramirez, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11265-11269.
[23] G. X. Pei, X. Y. Liu, A. Q. Wang, A. F. Lee, M. A. Isaacs, L. Li, X. L. Pan, X. F. Yang, X. D. Wang, Z. J. Tai, K. Wilson, T. Zhang, ACS Catal., 2015, 5, 3717-3725.
[24] G. Kyriakou, M. B. Boucher, A. D. Jewell, E. A. Lewis, T. J. Lawton, A. E. Baber, H. L. Tierney, M. Flytzani-Stephanopoulos, E. C. Sykes, Science, 2012, 335, 1209-1212.
[25] J. Lin, A. Q. Wang, B. T. Qiao, X. Y. Liu, X. F. Yang, X. D. Wang, J. X. Liang, J. Li, J. Y. Liu, T. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 15314-15317.
[26] K. Ding, A. Gulec, A. M. Johnson, N. M. Schweitzer, G. D. Stucky, L. D. Marks, P. C. Stair, Science, 2015, 350, 189-192.
[27] X. G. Li, W. T. Bi, L. Zhang, S. Tao, W. S. Chu, Q. Zhang, Y. Luo, C. Z. Wu, Y. Xie, Adv. Mater., 2016, 28, 2427-2431.
[28] H. T. Wang, Q. X. Wang, Y. C. Cheng, K. Li, Y. B. Yao, Q. Zhang, C. Z. Dong, P. Wang, U. Schwingenschlogl, W. Yang, X. X. Zhang, Nano Lett., 2012, 12141-144.
[29] W. L. Wang, E. J. G. Santos, B. Jiang, E. D. Cubuk, C. Ophus, A. Cen-teno, A. Pesquera, A. Zurutuza, J. Ciston, R. Westervelt, E. Kaxiras, Nano Lett., 2014, 14, 450-455.
[30] S. Yang, Y. J. Tak, J. Kim, A. Soon, H. Lee, ACS Catal., 2017, 7, 1301-1307.
[31] S. Yang, J. Kim, Y. J. Tak, A. Soon, H. Lee, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2058-2062.
[32] J. Xing, J. F. Chen, Y. H. Li, W. T. Yuan, Y. Zhou, L. R. Zheng, H. F. Wang, P. Hu, Y. Wang, H. J. Zhao, Y. Wang, H. G. Yang, Chemistry, 2014, 20, 2138-2144.
[33] B. T. Qiao, J. Lin, A. Q. Wang, Y. Chen, T. Zhang, J. Y. Liu, Chinese J. Catal., 2015, 36, 1505-1511.
[34] B. T. Qiao, J. X. Liang, A. Q. Wang, C. Q. Xu, J. Li, T. Zhang, J. Y. Liu, Nano Res., 2015, 8, 2913-2924.
[35] Y. Sato, Y. Soma, T. Miyao, S. Naito, Appl. Catal. A, 2006, 304, 78-85.
[36] L. L. Zhang, A. Q. Wang, J. T. Miller, X. Y. Liu, X. F. Yang, W. T. Wang, L. Li, Y. Q. Huang, C. Y. Mou, T. Zhang, ACS Catal., 2014, 4, 1546-1553.
[37] M. Moses-DeBusk, M. Yoon, L. F. Allard, D. R. Mullins, Z. L. Wu, X. F. Yang, G. Veith, G. M. Stocks, C. K. Narula, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 12634-12645.
[38] X. K. Gu, B. T. Qiao, C. Q. Huang, W. C. Ding, K. J. Sun, E. S. Zhan, T. Zhang, J. Y. Liu, W. X. Li, ACS Catal., 2014, 4, 3886-3890.
[39] P. P. Hu, Z. W. Huang, Z. Amghouz, M. Makkee, F. Xu, F. Kapteijn, A. Dikhtiarenko, Y. X. Chen, X. Gu, X. F. Tang, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 3418-3421.
[40] P. X. Liu, Y. Zhao, R. X. Qin, S. G. Mo, G. X. Chen, L. Gu, D. M. Chevrier, P. Zhang, Q. Guo, D. D. Zang, B. H. Wu, G. Fu, N. F. Zheng, Science, 2016, 352, 797-800.
[41] D. H. Deng, K. S. Novoselov, Q. Fu, N. F. Zheng, Z. Q. Tian, X. H. Bao, Nat. Nanotechnol., 2016, 11, 218-230.
[42] S. Z. Butler, S. M. Hollen, L. Y. Cao, Y. Cui, J. A. Gupta, H. R. Gutierrez, T. F. Heinz, S. S. Hong, J. X. Huang, A. F. Ismach, E. John-ston-Halperin, M. Kuno, V. V. Plashnitsa, R. D. Robinson, R. S. Ruoff, S. Salahuddin, J. Shan, L. Shi, M. G. Spencer, M. Terrones, W. Windl, J. E. Goldberger, ACS Nano, 2013, 7, 2898-2926.
[43] H. J. Qiu, Y. Ito, W. Cong, Y. Tan, P. Liu, A. Hirata, T. Fujita, Z. Tang, M. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14031-14035.
[44] S. H. Sun, G. X. Zhang, N. Gauquelin, N. Chen, J. G. Zhou, S. L. Yang, W. F. Chen, X. B. Meng, D. S. Geng, M. N. Banis, R. Y. Li, S. Y. Ye, S. Knights, G. A. Botton, T. K. Sham, X. L. Sun, Sci. Rep., 2013, 3, 1755-1763.
[45] H. Yan, H. Cheng, H. Yi, Y. Lin, T. Yao, C. L. Wang, J. J. Li, S. Q. Wei, J. L. Lu, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 10484-10487.
[46] G. P. Gao, Y. Jiao, E. R. Waclawik, A. J. Du, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6292-6297.
[47] P. Zhao, Y. Su, Y. Zhang, S. J. Li, G. Chen, Chem. Phys. Lett., 2011, 515, 159-162.
[48] S. Lin, X. X. Ye, R. S. Johnson, H. Guo, J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 17319-17326.
[49] X. Zhang, J. C. Lei, D. H. Wu, X. D. Zhao, Y. Jing, Z. Zhou, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 4871-4876.
[50] Y. Wang, H. Yuan, Y. F. Li, Z. F. Chen, Nanoscale, 2015, 7, 11633-11641.
[51] Y. F. Li, Z. Zhou, G. T. Yu, W. Chen, Z. F. Chen, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 6250-6254.
[52] J. Halim, S. Kota, M. R. Lukatskaya, M. Naguib, M. Q. Zhao, E. J. Moon, J. Pitock, J. Nanda, S. J. May, Y. Gogotsi, M. W. Barsoum, Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 3118-3127.
[53] Q. K. Hu, D. D. Sun, Q. H. Wu, H. Y. Wang, L. B. Wang, B. Z. Liu, A. G. Zhou, J. L. He, J. Phys. Chem. A, 2013, 117, 14253-14260.
[54] Y. Wang, X. C. Wang, M. Antonietti, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 68-89.
[55] G. Gao, Y. Jiao, E. R. Waclawik, A. Du, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6292-6297.
[56] H. J. Zhang, Y. N. Cao, L. L. Lu, Z. Cheng, S. W. Zhang, Metall. Mater. Trans. B, 2014, 46, 523-530.
[57] H. J. Zhang, N. Toshima, Catal. Sci. Technol., 2013, 3, 268-278.
[58] H. J. Zhang, N. Toshima, K. Takasaki, M. Okumura, J. Alloys Comp., 2014, 586, 462-468.
[59] H. J. Zhang, J. Okuni, N. Toshima, J. Colloid Interface Sci., 2011, 354, 131-138.
[60] C. P. Jiao, Z. L. Huang, X. F. Wang, H. J. Zhang, L. L. Lu, S. W. Zhang, RSC Adv., 2015, 5, 34364-34371.
[61] D. C. Kong, Y. J. Gu, S. Xiang, P. Wang, J. Cheng, H. J. Zhang, S. W. Zhang, Chem. J. Chin. Univ., 2013, 34, 2377-2382.
[62] X. F. Wang, S. R. Sun, Z. L. Huang, H. J. Zhang, S. W. Zhang, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 905-916.
[63] X. Y. Zhou, W. Q. Li, W. Li, L. Su, W. G. Zha, Z. N. Zhou, H. J. Zhang, L. L. Lu, S. W. Zhang, F. L. Li, Chem. Online, 2015, 78, 237-241.
[64] W. G. Zhao, L. Su, Z. N. Zhou, H. J. Zhang, L. L. Lu, S. W. Zhang, Acta Phys.-Chim. Sin., 2015, 31, 145-152.
[65] X. F. Wang, Y. N. Cao, S. R. Sun, Z. L. Huang, H. J. Zhang, S. W. Zhang, Rare Metal Mater. Eng., 2015, 44, 753-758.
[66] H. J. Zhang, X. G. Deng, C. P. Jiao, L. L. Lu, S. W. Zhang, Mater. Res. Bull., 2016, 79, 29-35.
[67] H. J. Zhang, N. Toshima, J. Nanosci. Nanotechnol., 2013, 13, 5405-5412.
[68] H. J. Zhang, T. Watanabe, M. Okumura, M. Haruta, N. Toshima, J. Catal., 2013, 305, 7-18.
[69] H. J. Zhang, L. L. Lu, K. Kawashima, M. Okumura, M. Haruta, N. Toshima, Adv. Mater., 2015, 27, 1383-1388.
[70] H. J. Zhang, L. Q. Wang, L. L. Lu, N. Toshima, Sci. Rep., 2016, 6, 30752-30762.
[71] T. Nakamura, Y. Tsukahara, T. Yamauchi, H. Mori, Y. Wada, Chem. Lett., 2007, 36, 154-155.
[72] C. P. Jiao, Z. L. Huang, H. J. Zhang, S. W. Zhang, Prog. Chem., 2015, 27, 472-481.
[73] Z. Ban, Y. A. Barnakov, F. Li, V. O. Golub, C. J. O'Connor, J. Mater. Chem., 2005, 15, 4660-4662.
[74] J. Yang, J. Y. Lee, H. P. Too, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 19208-19212.
[75] H. J. Zhang, K. Kawashima, M. Okumura, N. Toshima, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 13498-13508.
[76] J. S. Jirkovsky, I. Panas, E. Ahlberg, M. Halasa, S. Romani, D. J. Schiffrin, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 19432-19441.
[77] H. J. Zhang, N. Toshima, Appl. Catal. A, 2011, 400, 9-13.
[78] H. J. Zhang, L. L. Lu, Y. N. Cao, S. Du, Z. Cheng, S. W. Zhang, Mater. Res. Bull., 2014, 49, 393-398.
[79] W. Q. Li, W. G. Zhao, X. Y. Zhou, L. Su, H. J. Zhang, L. L. Lu, S. W. Zhang, Chem. J. Chin. Univ., 2014, 35, 2164-2169.
[80] M. S. Bootharaju, C. P. Joshi, M. R. Parida, O. F. Mohammed, O. M. Bakr, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 922-926.
[81] S. X. Liang, C. Hao, Y. T. Shi, ChemCatChem, 2015, 7, 2559-2567.