Highlights of the major progress in single-atom catalysis in 2015 and 2016

doi:10.1016/S1872-2067(17)62872-9

Abstract

Abstract:

The idea that single metal atoms dispersed on a solid support can act as an efficient heterogeneous catalyst was raised in 2011 when single Pt atoms on an FeO_x surface were reported to be active for CO oxidation and preferential oxidation of CO in H₂. The last six years have witnessed tremendous progress in the field of single-atom catalysis. Here we introduce the major achievements on this topic in 2015 and 2016. Some particular aspects of single-atom catalysis are discussed in depth, including new approaches in single-atom catalyst (SAC) synthesis, stable gold SACs for various reac-tions, the high selectivity of Pt and Pd SACs in hydrogenation, and the superior performance of non-noble metal SACs in electrochemistry. These accomplishments will encourage more efforts by researchers to achieve the controllable fabrication of SACs and explore their potential applications.

Key words: Single-atom catalysis, Catalyst synthesis, CO oxidation, Hydrogenation, Electrocatalysis

Bing Han, Rui Lang, Botao Qiao, Aiqin Wang, Tao Zhang. Highlights of the major progress in single-atom catalysis in 2015 and 2016[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(9): 1498-1507.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(17)62872-9

https://www.cjcatal.com/EN/Y2017/V38/I9/1498

References

[1] G. Ertl, H. Knözinger, F. Schüth, J. Weitkamp, Handbook of Hetero-geneous Catalysis, 2nd ed., Wiley-VCH, Weinheim, German, 2008.
[2] Q. Fu, H. Saltsburg, M. Flytzani-Stephanopoulos, Science, 2003, 301, 935-938.
[3] X. Zhang, H. Shi, B. Q. Xu, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 7132-7135.
[4] S. F. J. Hackett, R. M. Brydson, M. H. Gass, I. Harvey, A. D. Newman, K. Wilson, A. F. Lee, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 8593-8596.
[5] 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.
[6] X. F. Yang, A. Q. Wang, B. T. Qiao, J. Y. Li, J. Y. Liu, T. Zhang, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1740-1748.
[7] J. Mitch, Chem. Eng. News, 2016, 94, 26.
[8] S. X. Liang, C. Hao, Y. T. Shi, ChemCatChem, 2015, 7, 2559-2567.
[9] Y. Y. Jin, P. P. Hao, J. Ren, Z. Li, Progr. Chem., 2015, 27, 1689-1704.
[10] J. Y. Liu, ACS Catal., 2017, 7, 34-59.
[11] C. Y. Wang, M. Yang, M. Flytzani-Stephanopoulos, AIChE J., 2016, 62, 429-439.
[12] E. Ahvenniemi, A. R. Akbashev, S. Ali, M. Bechelany, M. Berdova, S. Boyadjiev, D. C. Cameron, R. Chen, M. Chubarov, V. Cremers, A. De-vi, V. Drozd, L. Elnikova, G. Gottardi, K. Grigoras, D. M. Hausmann, C. S. Hwang, S. H. Jen, T. Kallio, J. Kanervo, I. Khmelnitskiy, D. H. Kim, L. Klibanov, Y. Koshtyal, A. O. I. Krause, J. Kuhs, I. Kärkkänen, M.L. Kääriäinen, T. Kääriäinen, L. Lamagna, A. A. Lapicki, M. Les-kelä, H. Lipsanen, J. Lyytinen, A. Malkov, A. Malygin, A. Mennad, C. Militzer, J. Molarius, M. Norek, Ç. Özgit-Akgün, M. Panov, H. Pedersen, F. Piallat, G. Popov, R. L. Puurunen, G. Rampelberg, R. H. A. Ras, E. Rauwel, F. Roozeboom, T. Sajavaara, H. Salami, H. Savin, N. Schneider, T. E. Seidel, J. Sundqvist, D. B. Suyatin, T. Törndahl, J. R. van Ommen, C. Wiemer, O. M. E. Ylivaara, O. Yurkevich, J. Vac. Sci. Technol. A, 2017, 35, 010801.
[13] 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, 1775-1783.
[14] S. J. Jeong, Y. Gu, J. Heo, J. Yang, C. S. Lee, M. H. Lee, Y. Lee, H. Kim, S. Park, S. W. Hwang, Sci. Rep., 2016, 6, 20907.
[15] M. Leskela, M. Ritala, Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 5548-5554.
[16] H. Kim, J. Vac. Sci. Technol. B, 2003, 21, 2231-2261.
[17] 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.
[18] M. Piernavieja-Hermida, Z. Lu, A. White, K. B. Low, T. P. Wu, J. W. Elam, Z. L. Wu, Y. Lei, Nanoscale, 2016, 8, 15348-15356.
[19] J. Jones, H. F. Xiong, A. T. DeLaRiva, E. J. Peterson, H. Pham, S. R. Challa, G. S. Qi, S. Oh, M. H. Wiebenga, X. I. Pereira Hernández, Y. Wang, A. K. Datye, Science, 2016, 353, 150-154.
[20] F. Dvorak, M. Farnesi Camellone, A. Tovt, N. D. Tran, F. R. Negrei-ros, M. Vorokhta, T. Skala, I. Matolinova, J. Myslivecek, V. Matolin, S. Fabris, Nat. Commun., 2016, 7, 10801.
[21] P. X. Liu, Y. Zhao, R. X. Qin, S. Q. 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.
[22] L. L. Zhang, A. Q. Wang, W. T. Wang, Y. Q. Huang, X. Y. Liu, S. Miao, J. Y. Liu, T. Zhang, ACS Catal., 2015, 5, 6563-6572.
[23] W. G. Liu, L. L. Zhang, W. S. Yan, X. Y. Liu, X. F. Yang, S. Miao, W. T. Wang, A. Q. Wang, T. Zhang, Chem. Sci. 2016, 7, 5758-5764.
[24] J. J. Ge, D. S. He, W. X. Chen, H. X. Ju, H. Zhang, T. T. Chao, X. Q. Wang, R. You, Y. Lin, Y. Wang, J. F. Zhu, H. Li, B. Xiao, W. X. Huang, Y. Wu, X. Hong, Y. P. Li, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 13850-13853.
[25] M. Moliner, J. E. Gabay, C. E. Kliewer, R. T. Carr, J. Guzman, G. L. Casty, P. Serna, A. Corma, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15743-15750.
[26] T. Risse, S. Shaikhutdinov, N. Nilius, M. Sterrer, H. J. Freund, Acc. Chem. Res., 2008, 41, 949-956.
[27] M. Haruta, Faraday Discuss., 2011, 152, 11-32.
[28] K. K. Mao, L. Li, W. H. Zhang, Y. Pei, X. C. Zeng, X. J. Wu, J. L. Yang, Sci. Rep., 2014, 4, 5441.
[29] H. C. Fang, Z. H. Li, K. N. Fan, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 13358-13369.
[30] Y. G. Wang, D. H. Mei, V. A. Glezakou, J. Li, R. Rousseau, Nat. Com-mun., 2015, 6, 6511.
[31] M. F. Camellone, S. Fabris, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 10473-10483.
[32] A. Sanchez, S. Abbet, U. Heiz, W. D. Schneider, H. Häkkinen, R. N. Barnett, U. Landman, J. Phys. Chem. A, 1999, 103, 9573-9578.
[33] B. T. Qiao, J. X. Liang, A. Q. Wang, J. Y. Liu, T. Zhang, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1580-1586.
[34] C. Y. Wang, G. Garbarino, L. F. Allard, F. Wilson, G. Busca, M. Flytza-ni-Stephanopoulos, ACS Catal., 2016, 6, 210-218.
[35] A. Corma, O. G. Salnikov, D. A. Barskiy, K. V. Kovtunov, I. V. Kop-tyug, Chem. Eur. J., 2015, 21, 7012-7015.
[36] 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.
[37] J. D. Kistler, N. Chotigkrai, P. X. Xu, B. Enderle, P. Praserthdam, C. Y. Chen, N. D. Browning, B. C. Gates, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 8904-8907.
[38] Y. T. Shi, C. Y. Zhao, H. S. Wei, J. H. Guo, S. X. Liang, A. Q. Wang, T. Zhang, J. Y. Liu, T. L. Ma, Adv. Mater., 2014, 26, 8147-8153.
[39] Y. P. Zhai, D. Pierre, R. Si, W. L. Deng, P. Ferrin, A. U. Nilekar, G. W. Peng, J. A. Herron, D. C. Bell, H. Saltsburg, M. Mavrikakis, M. Flytza-ni-Stephanopoulos, Science, 2010, 329, 1633-1636.
[40] M. Yang, J. L. Liu, S. Lee, B. Zugic, J. Huang, L. F. Allard, M. Flytza-ni-Stephanopoulos, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 3470-3473.
[41] F. R. Lucci, M. D. Marcinkowski, E. C. H. Sykes, J. L. Liu, M. Yang, M. Flytzani-Stephanopoulos, L. F. Allard, Nat. Commun., 2015, 6, 8550.
[42] J. Deng, H. B. Li, J. P. Xiao, Y. C. Tu, D. H. Deng, H. X. Yang, H. F. Tian, J. Q. Li, P. J. Ren, X. H. Bao, Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1594-1601.
[43] 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.
[44] H. S. Wei, X. Y. Liu, A. Q. Wang, L. L. Zhang, B. T. Qiao, X. F. Yang, Y. Q. Huang, S. Miao, J. Y. Liu, T. Zhang, Nat. Commun., 2014, 5, 5634.
[45] B. Zhang, H. Asakura, J. Q. Zhang, J. Zhang, S. De, N. Yan, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 8319-8323.
[46] S. Abbet, A. Sanchez, U. Heiz, W. D. Schneider, A. M. Ferrari, G. Pacchioni, N. Rösch, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 3453-3457.
[47] J. H. Kwak, L. Kovarik, J. Szanyi, ACS Catal., 2013, 3, 2094-2100.
[48] E. J. Peterson, A. T. DeLaRiva, S. Lin, R. S. Johnson, H. Guo, J. T. Mil-ler, J. H. Kwak, C. H. F. Peden, B. Kiefer, L. F. Allard, F. H. Ribeiro, A. K. Datye, Nat. Commun., 2014, 5, 4885.
[49] 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.
[50] H. R. Zhou, X. F. Yang, A. Q. Wang, S. Miao, X. Y. Liu, X. L. Pan, Y. Su, L. Li, Y. Tan, T. Zhang, Chin. J. Catal., 2016, 37, 692-699.
[51] 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. H. Sykes, Science, 2012, 335, 1209-1212.
[52] M. B. Boucher, B. Zugic, G. Cladaras, J. Kammert, M. D. Marcinkow-ski, T. J. Lawton, E. C. H. Sykes, M. Flytzani-Stephanopoulos, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 12187-12196.
[53] G. X. Pei, X. Y. Liu, A. Q. Wang, L. Li, Y. Q. Huang, T. Zhang, J. W. Lee, B. W. L. Jang, C. Y. Mou, New J. Chem., 2014, 38, 2043-2051.
[54] 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.
[55] X. X. Cao, A. Mirjalili, J. Wheeler, W. T. Xie, B. W. L. Jang, Fron. Chem. Sci. Eng., 2015, 9, 442-449.
[56] P. Aich, H. J. Wei, B. Basan, A. J. Kropf, N. M. Schweitzer, C. L. Mar-shall, J. T. Miller, R. Meyer, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 18140-18148.
[57] F. R. Lucci, M. T. Darby, M. F. G. Mattera, C. J. Ivimey, A. J. Therrien, A. Michaelides, M. Stamatakis, E. C. H. Sykes, J. Phys. Chem. Lett., 2016, 7, 480-485.
[58] J. L. Liu, F. R. Lucci, M. Yang, S. Lee, M. D. Marcinkowski, A. J. Ther-rien, C. T. Williams, E. C. H. Sykes, M. Flytzani-Stephanopoulos, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6396-6399.
[59] S. R. Zhang, L. Nguyen, J. X. Liang, J. J. Shan, J. Y. Liu, A. I. Frenkel, A. Patlolla, W. X. Huang, J. Li, F. Tao, Nat. Commun., 2015, 6, 7938.
[60] J. C. Matsubu, V. N. Yang, P. Christopher, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 3076-3084.
[61] R. Lang, T. B. Li, D. Matsumura, S. Miao, Y. J. Ren, Y. T. Cui, Y. Tan, B. T. Qiao, L. Li, A. Q. Wang, X. D. Wang, T. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 16178.
[62] L. B. Wang, W. B. Zhang, S. P. Wang, Z. H. Gao, Z. H. Luo, X. Wang, R. Zeng, A. W. Li, H. L. Li, M. L. Wang, X. S. Zheng, J. F. Zhu, W. H. Zhang, C. Ma, R. Si, J. Zeng, Nat. Commun., 2016, 7, 14036.
[63] Z. W. Huang, X. Gu, Q. Q. Cao, P. P. Hu, J. M. Hao, J. H. Li, X. F. Tang, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 4198-4203.
[64] Y. X. Chen, T. Kasama, Z. W. Huang, P. P. Hu, J. M. Chen, X. Liu, X. F. Tang, Chem. Eur. J., 2015, 21, 17397-17402.
[65] P. P. Hu, Z. Amghouz, Z. W. Huang, F. Xu, Y. X. Chen, X. F. Tang, Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 2384-2390.
[66] Y. X. Chen, Z. W. Huang, M. J. Zhou, Z. Ma, J. M. Chen, X. F. Tang, Environ. Sci. Technol., 2017, 51, 2304-2311.
[67] Y. X. Chen, Z. W. Huang, P. P. Hu, J. M. Chen, X. F. Tang, Catal. Com-mun., 2016, 75, 74-77.
[68] F. Xu, Z. W. Huang, P. P. Hu, Y. X. Chen, L. Zheng, J. Y. Gao, X. F. Tang, Chem. Commun., 2015, 51, 9888-9891.
[69] S. Yang, J. Kim, Y. J. Tak, A. Soon, H. Lee, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2058-2062.
[70] S. Back, J. Lim, N. Y. Kim, Y. H. Kim, Y. Jung, Chem. Sci., 2017, 8, 1090-1096.
[71] 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.
[72] H. L. Fei, J. C. Dong, M. J. Arellano-Jimenez, G. L. Ye, N. D. Kim, E. L. G. Samuel, Z. W. Peng, Z. Zhu, F. Qin, J. M. Bao, M. J. Yacaman, P. M. Ajayan, D. L. Chen, J. M. Tour, Nat. Commun., 2015, 6, 8668.
[73] H. J. Qiu, Y. Ito, W. T. Cong, Y. W. Tan, P. Liu, A. Hirata, T. Fujita, Z. Tang, M. W. Chen, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14031-14035.
[74] P. Q. Yin, T. Yao, Y. E. Wu, L. R. Zheng, Y. Lin, W. Liu, H. X. Ju, J. F. Zhu, X. Hong, Z. X. Deng, G. Zhou, S. Q. Wei, Y. D. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10800-10805.
[75] B. Wurster, D. Grumelli, D. Hötger, R. Gutzler, K. Kern, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 3623-3626.
[76] X. J. Cui, J. P. Xiao, D. H. Deng, X. H. Bao, Y. H. Wu, W. H. Zhang, P. P. Du, R. Si, H. X. Yang, H. F. Tian, J. Q. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 6708-6712.
[77] H. B. Zhang, J. Wei, J. C. Dong, G. G. Liu, L. Shi, P. F. An, G. Zhao, J. T. Kong, X. J. Wang, X. G. Meng, J. Zhang, J. H. Ye, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14310-14314.