Copper-based non-precious metal heterogeneous catalysts for environmental remediation

doi:10.1016/S1872-2067(17)62996-6

Abstract

Abstract:

This paper presents a detailed review of copper-based catalysts used in wide-ranging environmental remediation, including gas, liquid and solid phase pollutant elimination. Latest advances in the remarkable catalytic activity of copper-based catalysts, including bulk CuO_x, supported CuO_x, and solid solution CuO_x-X are emphasized. The structure-activity relationships among the crystal structure, morphology, catalyst support, and catalytic performance in specific catalytic reactions for environmental remediation are discussed. Furthermore, current obstacles faced by Cu-based catalysts and potential strategies to address them have been proposed, which may aid the future research and development of highly efficient Cu-based non-precious metal catalysts.

Key words: Copper-based catalyst, Heterogeneous reaction, CO oxidation, Selective catalytic reduction, Volatile organic compounds oxidation, Organic pollutant degradation, Soot combustion

Yarong Fang, Yanbing Guo. Copper-based non-precious metal heterogeneous catalysts for environmental remediation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 566-582.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(17)62996-6

https://www.cjcatal.com/EN/Y2018/V39/I4/566

References

[1] R. G. Rice, Ozone Sci. Eng., 1996, 18, 477-515.
[2] R. R. Bacsa, J. Kiwi, Appl. Catal. B, 1998, 16, 19-29.
[3] H. Xu, K. Ni, X. K. Li, S. Zhu, G. H. Fan, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1261-1269.
[4] X. Xiang, P. Wu, Y. Cao, L. Cao, Q. Wang, S. Xu, P. Tian, Z. Liu, Chin. J. Catal., 2017, 38, 918-927.
[5] X. J. Yao, L. F. Chen, T. Kong, S. Ding, Q. Y. Luo, F. Yang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1423-1430.
[6] Y. X. Liu, J. G. Deng, S. H. Xie, Z. W. Wang, H. X. Dai, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1193-1205.
[7] B. Zhu, X. S. Li, P. Sun, J. L. Liu, X. Y. Ma, X. Zhu, A. M. Zhu, Chin, J. Catal., 2017, 38, 1759-1769.
[8] X. Liu, Y. H. Zhang, Y. S. Jia, J. Z. Jiang, Y. B. Wang, X. S. Chen, T. Gui, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1770-1779.
[9] B. F. Jin, Y. C. Wei, Z. Zhao, J. Liu, Y. Z. Li, R. J. Li, A. J. Duan, G. Y. Jiang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1629-1641.
[10] F. J. Maldonado-Hódar, C. Moreno-Castilla, A. F. Pérez-Cadenas, Appl. Catal. B, 2004, 54, 217-224.
[11] A. M. Carrillo, J. G. Carriazo, Appl. Catal. B, 2015, 164, 443-452.
[12] K. Everaert, J. Baeyens, J. Hazard. Mater., 2004, 109, 113-139.
[13] H. L. Tidahy, S. Siffert, F. Wyrwalski, J. F. Lamonier, A. Aboukaïs, Catal. Today, 2007, 119, 317-320.
[14] Y. B. Guo, Z. Ren, W. Xiao, C. H. Liu, H. Sharma, H. Y. Gao, A. Mhadeshwar, P. X. Gao, Nano Energy, 2013, 2, 873-881.
[15] Z. Ren, Z. L. Wu, W. Q. Song, W. Xiao, Y. B. Guo, J. Ding, S. L. Suib, P. X. Gao, Appl. Catal. B, 2016, 180, 150-160.
[16] Z. Ren, V. Botu, S. B. Wang, Y. T. Meng, W. Q. Song, Y. B. Guo, R. Ramprasad, S. L. Suib, P. X. Gao, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 7223-7227.
[17] U. Deka, I. Lezcano-Gonzalez, B. M. Weckhuysen, A. M. Beale, ACS Catal., 2013, 3, 413-427.
[18] H. B. Liu, Z. Liu, X. M. Qian, Y. B. Guo, S. Cui, L. F. Sun, Y. L. Song, Y. L. Li, D. B. Zhu, Cryst. Growth Des., 2010, 10, 237-243.
[19] H. W. Huang, L. Q. Zhang, K. W. Wu, Q. Yu, R. Chen, H. S. Yang, X. S. Peng, Z. Z. Ye, Nanoscale, 2012, 4, 7832-7841.
[20] M. B. Gawande, A. Goswami, F. X. Felpin, T. Asefa, X. X. Huang, R. Silva, X. X. Zou, R. Zboril, R. S. Varma, Chem. Rev., 2016, 116, 3722-3811.
[21] W. M. Jin, J. H. Kang, J. H. Moon, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2010, 2, 2982-2986.
[22] X. Wang, C. Liu, B. J. Zheng, Y. Q. Jiang, L. Zhang, Z. X. Xie, L. S. Zheng, J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 282-287.
[23] H. Z. Bao, W. H. Zhang, D. L. Shang, Q. Hua, Y. S. Ma, Z. Q. Jiang, J. L. Yang, W. X. Huang, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 6676-6680.
[24] C. H. Kuo, C. H. Chen, M. H. Huang, Adv. Funct. Mater., 2007, 17, 3773-3780.
[25] C. H. Kuo, M. H. Huang, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 18355-18360.
[26] X. D. Liang, L. Gao, S. W. Yang, J. Sun, Adv. Mater., 2009, 21, 2068-2071.
[27] W. X. Huang, Top. Catal., 2013, 56, 1363-1376.
[28] X. Q. Wang, G. C. Xi, S. L. Xiong, Y. K. Liu, B. J. Xi, W. C. Yu, Y. T. Qian, Cryst. Growth Des., 2007, 7, 930-934.
[29] M. H. Cao, C. W. Hu, Y. Wang, Y. H. Guo, C. X. Guo, E. B. Wang, Chem. Commun., 2003, 1884-1885.
[30] H. W. Hou, Y. Xie, Q. Li, Cryst. Growth Des., 2005, 5, 201-205.
[31] G. F. Zou, H. Li, D. W. Zhang, K. Xiong, C. Dong, Y. T. Qian, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 1632-1637.
[32] S. Y. Yang, C. F. Wang, L. Chen, S. Chen, Mater. Chem. Phys., 2010, 120, 296-301.
[33] N. Xu, W. N. Fu, C. He, L. F. Cao, X. H. Liu, J. L. Zhao, H. Pan, Plasma Chem. Plasma Process., 2014, 34, 1387-1402.
[34] G. Oxide, Z. Xiong, L. L. Zhang, X. Song, Chem. Eng. J., 2011, 17, 2428-2434.
[35] G. Águila, F. Gracia, J. Cortés, P. Araya, Appl. Catal. B, 2008, 77, 325-338.
[36] J. H. Li, H. Z. Chang, L. Ma, J. M. Hao, R. T. Yang, Catal. Today, 2011, 175, 147-156.
[37] B. Skarman, D. Grandjean, R. E. Benfield, A. Hinz, A. Andersson, L. Reine Wallenberg, J. Catal., 2002, 211, 119-133.
[38] Q. F. Deng, T. Z. Ren, A. Bao, Y. P. Liu, Z. Y. Yuan, J. Ind. Eng. Chem., 2014, 20, 3303-3312.
[39] A. E. Baber, X. F. Yang, H. Y. Kim, K. Mudiyanselage, M. Soldemo, J. Weissenrieder, S. D. Senanayake, A. Al-Mahboob, J. T. Sadowski, J. Evans, J. A. Rodriguez, P. Lin, F. M. Hoffmann, J. G. Chen, D. J. Stacchiola, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 5336-5340.
[40] E. Amini, M. Rezaei, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1711-1718.
[41] E. Amini, M. Rezaei, M. Sadeghinia, Chin. J. Catal., 2013, 34, 1762-1767.
[42] M. J. Zhou, L. L. Cai, M. Bajdich, M. García-Melchor, H. Li, J. J. He, J. Wilcox, W. D. Wu, A. Vojvodic, X. L. Zheng, ACS Catal., 2015, 5, 4485-4491.
[43] Z. P. Qu, Z. Wang, X. Y. Zhang, H. Wang, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 4491-4502.
[44] Y. R. Li, H. G. Peng, X. L. Xu, Y. Peng, X. Wang, RSC Adv. 2015, 5, 25755-25764.
[45] A. J. Binder, T. J. Toops, R. R. Unocic, J. E. ParksⅡ, S. Dai, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 13263-13267.
[46] Z. G. Xie, X. X. Zhou, H. X. Wu, L. S. Chen, H. Zhao, Y. Liu, L. Y. Pan, H. R. Chen, Sci. Reports, 2016, 6, 30132.
[47] Y. X. Shen, Y. Guo, L. Wang, Y. Q. Wang, Y. L. Guo, X. Q. Gong, G. Z. Lu, Catal. Sci. Technol., 2011, 1, 1202-1207.
[48] R. Prasad, P. Singh, Catal. Rev. Sci. Eng., 2012, 54, 224-279.
[49] T. J. Huang, D. H. Tsai, Catal. Lett., 2003, 87, 173-178.
[50] U. R. Pillai, S. Deevi, Appl. Catal. B, 2006, 64, 146-151.
[51] D. Zhao, C. M. Tu, X. J. Hu, N. Zhang, RSC Adv., 2017, 7, 37596-37603.
[52] K. B. Zhou, R. P. Wang, B. Q. Xu, Y. D. Li, Nanotechnology, 2006, 17, 3939-3943.
[53] Y. F. Guo, J. Lin, C. H. Li, S. X. Lu, C. W. Zhao, Catal. Lett., 2016, 146, 2364-2375.
[54] W. Liu, A. F.Sarofim. M. Flytzani-Stephanopoulos, Chem. Eng. Sci., 1995, 49, 4871-4888.
[55] A. Martínez-Arias, M. Fernández-García, O. Gálvez, J. M. Coronado, J. A. Anderson, J. C. Conesa, J. Soria, G. Munuera, J. Catal., 2000, 195, 207-216.
[56] A. P. Jia, S. Y. Jiang, J. Q. Lu, M. F. Luo, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 21605-21610.
[57] J. S. Elias, N. Artrith, M. Bugnet, L. Giordano, G. A. Botton, A. M. Kolpak, Y. Shao-Horn, ACS Catal., 2016, 6, 1675-1679.
[58] S. Y. Yao, K. Mudiyanselage, W. Q. Xu, A. C. Johnston-Peck, J. C. Hanson, T. P. Wu, D. Stacchiola, J. A. Rodriguez, H. Y. Zhao, K. A. Beyer, K. W. Chapman, P. J. Chupas, A. Martínez-Arias, R. Si, T. B. Bolin, W. J. Liu, S. D. Senanayake, ACS Catal., 2014, 4, 1650-1661.
[59] G. Sedmak, S. Hocevar, J. Levec, J. Catal., 2003, 213, 135-150.
[60] M. F. Luo, Y. P. Song, J. Q. Lu, X. Y. Wang, Z. Y. Pu, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 12686-12692.
[61] M. F. Luo, J. M. Ma, J. Q. Lu, Y. P. Song, Y. J. Wang, J. Catal., 2007, 246, 52-59.
[62] D. Gamarra, G. Munuera, A. B. Hungría, M. Fernández-García, J. C. Conesa, P. A. Midgley, X. Q. Wang, J. C. Hanson, J. A. Rodríguez, A. Martínez-Arias, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 11026-11038.
[63] C. D. Curran, L. Lu, C. J. Kiely, S. McIntosh, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 244-255.
[64] X. Zhou, J. Ling, W. L. Sun, Z. Q. Shen, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 9717-9722.
[65] L. Zhou, X. X. Li, Z. Yao, Z. W. Chen, M. Hong, R. S. Zhu, Y. Y. Liang, J. Zhao, Sci. Reports, 2016, 6, 23900.
[66] B. Eren, C. Heine, H. Bluhm, G. A. Somorjai, M. Salmeron, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 11186-11190.
[67] A. E. Baber, X. Yang, H. Y. Kim, K. Mudiyanselage, M. Soldemo, J. Weissenrieder, S. D. Senanayake, A. Al-Mahboob, J. T. Sadowski, J. Evans, J. A. Rodriguez, P. Liu, F. M. Hoffmann, J. G. Chen, D. J. Stacchiola, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 5336-5340.
[68] H. Y. Kim, P. Liu, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 22985-22991.
[69] Z. R. Tang, C. D. Jones, J. K.W. Aldridge, T. E. Davies, J. K. Bartley, A. F. Carley, S. H. Taylor, M. Allix, C. Dickinson, M. J. Rosseinsky, J. B. Claridge, Z. Xu, M. J. Crudace, G. J. Hutchings, Chem. Catal. Chem., 2009, 1,247-251
[70] M. Krämer, T. Schmidt, K. Stöwe, W. F. Maier, Appl. Catal. A, 2006, 302, 257-263.
[71] Z. G. Liu, S. H. Chai, A. Binder, Y. Y. Li, L. T. Ji, S. Dai, Appl. Catal. A, 2013, 451, 282-288.
[72] Z. G. Liu, Z. L. Wu, X. H, Peng, A. Binder, S. H. Chai, S. Dai, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 27870-27877.
[73] F. Gao, E. D. Walter, E. M. Karp, J. Y. Luo, R. G. Tonkyn, J. H. Kwak, J. Szanyi, C. H. F. Peden, J. Catal., 2013, 300, 20-29.
[74] G. Busca, L. Lietti, G. Ramis, F. Berti, Appl. Catal. B, 1998, 18, 1-36.
[75] M. Q. Shen, C. X. Li, Q. J. J. Wang, L. L. Xu, W. L. Wang, J. Wang, RSC Adv., 2015, 5, 35155-35165.
[76] B. J. Dou, G. Lü, C. Wang, Q. L. Hao, K. S. Hui, Chem. Eng. J., 2015, 270, 549-556.
[77] U. De-La-Torre, B. Pereda-Ayo, M. Moliner, J. R. González-Velasco, A. Corma, Appl. Catal. B, 2016, 187, 419-427.
[78] J. H. Kwak, R. G. Tonkyn, D. H. Kim, J. Szanyi, C. H. F. Peden, J. Catal., 2010, 275, 187-190.
[79] B. H. Chen, R. N. Xu, R. D. Zhang, N. Liu, Environ. Sci. Technol., 2014, 48, 13909-13916.
[80] M. Iwamoto, H. Furukawa, Y. Mine, F. Uemura, S. Mikuriya, S. Kagawa, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1986, 1272-1273.
[81] S. Brandenberger, O. Kröcher, A. Tissler, R. Althoff, Catal. Rev. Sci. Eng., 2008, 50, 492-531.
[82] F. Gao, E. D. Walter, M. Kollar, Y. L. Wang, J. Szanyi, C. H. F. Peden, J. Catal., 2014, 319, 1-14.
[83] D. W. Fickel, E. D'Addio, J. A. Lauterbach, R. F. Lobo, Appl. Catal. B, 2011, 102, 441-448.
[84] J. H. Kwak, D. Tran, S. D. Burton, J. Szanyi, J. H. Lee, C. H. F. Peden, J. Catal., 2012, 287, 203-209.
[85] J. R. Li, R. J. Kuppler, H. C. Zhou, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1477-1504.
[86] J. Y. Luo, F. Gao, K. Kamasamudram, N. Currier, C. H. F. Peden, A. Yezerets, J. Catal., 2017, 348, 291-299.
[87] F. Bin, C. L. Song, G. Lü, J. O. Song, S. H. Wu, X. D. Li, Appl. Catal. B, 2014, 150-151, 532-543.
[88] G. Centi, S. Perathoner, Appl. Catal. A, 1995, 132, 179-259.
[89] U. Deka, A. Juhin, E. A. Eilertsen, H. Emerich, M. A. Green, S. T. Korhonen, B. M. Weckhuysen, A. M. Beale, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 4809-4818.
[90] P. S. Metkar, V. Balakotaiah, M. P. Harold, Chem. Eng. Sci., 2011, 66, 5192-5203.
[91] C. Paolucci, I. Khurana, A. A. Parekh, S. Li, A. J. Shih, H. Li, J. R. Di Iorio, J. D. Albarracin-caballero, A. Yezerets, J. T. Miller, W. N. Delgass, F. H. Ribeiro, W. F. Schneider, R. Gounder, Science, 2017, 357, 898-903.
[92] B. Yilmaz, N. Trukhan, U. Müller, Chin. J. Catal., 2012, 33, 3-10.
[93] M. M. Xing, Q. Sun, C. Zeng, H. Z. Wang, D. Zhao, N. Zhang, S.G. Hong, RSC Adv., 2017, 7, 18830-18837.
[94] P. O. Larsson, A. Andersson, J. Catal., 1998, 179, 72-89.
[95] H. Rotter, M. V. Landau, M. Carrera, D. Goldfarb, M. Herskowitz, Appl. Catal. B, 2004, 47, 111-126.
[96] S. C. Kim, J. Hazard. Mater., 2002, 91, 285-299.
[97] D. Delimaris, T. Ioannides, Appl. Catal. B, 2008, 84, 303-312.
[98] Q. Hua, T. Cao, X. K. Gu, J. Q. Lu, Z. Q. Jiang, X. R. Pan, L. F. Luo, W. X. Li, W. X. Huang, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 4856-4861.
[99] Z. Luo, S. A. Cetegen, R. Miao, T. Jiang, S. Y. Chen, T. Jafari, Y. S. Zhang, S. L. Suib, J. Catal., 2016, 338, 94-103.
[100] C. He, Y. K. Yu, L. Yue, N. L. Qiao, J. J. Li, Q. Shen, W. J. Yu, J. S. Chen, Z. P. Hao, Appl. Catal. B, 2014, 147, 156-166.
[101] C. Q. Hu, Q. S. Zhu, Z. Jiang, Y. Y. Zhang, Y. Wang, Microporous Mesoporous Mater., 2008, 113, 427-434.
[102] E. M. Cordi, P. J. O, Neill, J. L. Falconer, Appl. Catal. B, 1997, 14, 23-36.
[103] H. F. Lu, Y. F. Chen, X. X. Kong, H. F. Huang, Y. Zhou, J. Environ. Sci. (China), 2015, 32, 102-107.
[104] D. Delimaris, T. Ioannides, Appl. Catal. B, 2009, 89, 295-302.
[105] M. R. Morales, B. P. Barbero, L. E. Cadús, Appl. Catal. B, 2006, 67, 229-236.
[106] H. F. Lu, Y. Zhou, H. F. Huang, B. Zhang, Y. F. Chen, J. Rare Earths, 2011, 29, 855-860.
[107] M. A. Oturan, J. J. Aaron, Crit. Rev. Environ. Sci. Technol., 2014, 44, 2577-2641.
[108] L. L. Zhang, D. Xu, C. Hu, Y. L. Shi, Appl. Catal. B, 2017, 207, 9-16.
[109] S. K. Ling, S. Wang, Y. Peng, J. Hazard. Mater., 2010, 178, 385-389.
[110] A. Angi, D. Sanli, C. Erkey, Ö. Birer, Ultrason. Sonochem., 2014, 21, 854-859.
[111] S. Saha, S. B. A. Hamid, T. H. Ali, Appl. Surf. Sci., 2017, 394, 205-218.
[112] L. Lai, L. L. Zhang, Q. Y. Wang, Y. L. Nie, C. Hu, Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 8639-8647.
[113] B. K. Ghosh, S. Hazra, B. Naik, N. N. Ghosh, Powder Technol., 2015, 269, 371-378.
[114] A. C. Pradhan, B. Nanda, K. M. Parida, M. Das, Dalton. Trans., 2013, 42, 558-566.
[115] Priyanka, V. Subbaramaiah, V. C. Srivastava, I. D. Mall, Sep. Purif. Technol., 2014, 125, 284-290.
[116] Y. B. Wang, H. Y. Zhao, G. H. Zhao, Appl. Catal. B, 2015, 164, 396-406.
[117] Y. Lei, C. S. Chen, Y. J. Tu, Y. H. Huang, H. Zhang, Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 6838-6845.
[118] Y. B. Wang, H. Y. Zhao, M. M. Li, J. Q. Fan, G. H. Zhao, Appl. Catal. B, 2014, 147, 534-545.
[119] C. Sun, R. Zhou, Jianan. E, J. Q. Sun, H. J. Ren, RSC Adv., 2015, 5, 57058-57066.
[120] Y. Lei, C. S. Chen, Y. J. Tu, Y. H. Huang, H. Zhang, Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 6838-6845.
[121] S. Kalal, N. P. Singh Chauhan, N. Ameta, R. Ameta, S. Kumar, P. B. Punjabi, Korean J. Chem. Eng., 2014, 31, 2183-2191.
[122] C. M. Cao, Y. X. Zhang, D. S. Liu, M. Meng, Small, 2015, 11, 3659-3664.
[123] Y. F. Yu, M. Meng, F. F. Dai, Nanoscale, 2013, 5, 904-909.
[124] P. Sudarsanam, B. Hillary, B. Mallesham, B. G. Rao, M. H. Amin, A. Nafady, A. M. Alsalme, B. M. Reddy, S. K. Bhargava, Langmuir, 2016, 32, 2208-2215.
[125] M. Piumetti, S. Bensaid, T. Andana, N. Russo, R. Pirone, D. Fino, Appl. Catal. B, 2016, 205, 455-468.
[126] E. Aneggi, D. Wiater, C. de Leitenburg, J. Llorca, A. Trovarelli, ACS Catal., 2014, 4, 172-181.
[127] Q. Liang, X. D. Wu, D. Weng, H. T. Xu, Catal. Today, 2008, 139, 113-118.
[128] J. Giménez-Mañogil, A. Bueno-López, A. García-García, Appl. Catal. B, 2014, 152-153, 99-107.
[129] J. Giménez-Mañogil, A. García-García, Appl. Catal. A, 2017, 542, 226-239.
[130] J. Yang, Y. B. Guo, Chin. Chem. Lett. 2017, DOI 10.1016/j.cclet.2017.09.013.
[131] F. E. López-Suárez, A. Bueno-López, M. J. Illán-Gómez, A. Adamski, B. Ura, J. Trawczynski, Environ. Sci. Technol., 2008, 42, 7670-7675.
[132] Z. Q. Li, M. Meng, Y. Q. Zha, F. F. Dai, T. D. Hu, Y. N. Xie, J. Zhang, Appl. Catal. B, 2012, 121-122, 65-74.