Advanced yolk-shell nanoparticles as nanoreactors for energy conversion

doi:10.1016/S1872-2067(17)62818-3

Abstract

Abstract:

Yolk-shell structured nanoparticles are of immense scientific and technological interests because of their unique architecture and myriad of applications. This review summarizes recent progresses in the use of yolk-shell structured nanoparticles as nanoreactors for various chemical reactions. A very brief overview of synthetic strategies is provided with emphasis on recent research progress in the last five years. Catalytic applications of these yolk-shell structured nanoreactors are then discussed by covering photocatalysis, methane reforming and electrochemical conversion. The state of the art research and perspective in future development are also highlighted.

Key words: Yolk-shell nanoreactors, Energy conversion applications, Photocatalysis, Fuel cell, Utilization of carbon sources

Meiwen Wang, Yash Boyjoo, Jian Pan, Shaobin Wang, Jian Liu. Advanced yolk-shell nanoparticles as nanoreactors for energy conversion[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(6): 970-990.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(17)62818-3

https://www.cjcatal.com/EN/Y2017/V38/I6/970

References

[1] C. Toumey, Nat. Nanotechnol., 2009, 4, 783-784.
[2] A. Ostafin, Y. C. Chen, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, Inc., 2000.
[3] J. Liu, S. Z. Qiao, J. S. Chen, X. W. Lou, X. R. Xing, G. Q. Lu, Chem. Commun., 2011, 47, 12578-12591.
[4] Y. Yang, X. Liu, X. B. Li, J. Zhao, S. Y. Bai, J. Liu, Q. H. Yang, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 9164-9168.
[5] H. C. Zhang, H. Huang, Y. Liu, X. Han, Z. Ma, L. L. Zhang, H. T. Li, Z. H. Kang, J. Mater. Chem., 2012, 22, 20182-20185.
[6] M. Pérez-Lorenzo, B. Vaz, V. Salgueiriño, M. A. Correa-Duarte, Chem. Eur. J., 2013, 19, 12196-12211.
[7] H. Tian, X. Y. Li, L. Zeng, J. L. Gong, ACS Catal., 2015, 5, 4959-4977.
[8] A. Guiet, C. Göbel, K. Klingan, M. Lublow, T. Reier, U. Vainio, R. Kraehnert, H. Schlaad, P. Strasser, I. Zaharieva, H. Dau, M. Driess, J. Polte, A. Fischer, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 6228-6240.
[9] M. Priebe, K. M. Fromm, Chem. Eur. J., 2015, 21, 3854-3874.
[10] J. Liu, S. Z. Qiao, Q. H. Hu, G. Q. Lu, Small, 2011, 7, 425-443.
[11] R. X. Jin, Y. Yang, Y. C. Zou, X. C. Liu, Y. Xing, Chem. Eur. J., 2014, 20, 2344-2351.
[12] B. J. Jankiewicz, D. Jamiola, J. Choma, M. Jaroniec, Adv. Colloid Interface Sci., 2012, 170, 28-47.
[13] T. J. Yao, T. Y. Cui, X. Fang, J. Yu, F. Cui, J. Wu, Chem. Eng. J., 2013, 225, 230-236.
[14] C. H. Lin, X. Y. Liu, S. H. Wu, K. H. Liu, C. Y. Mou, J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, 2984-2988.
[15] G. D. Li, Z. Y. Tang, Nanoscale, 2014, 6, 3995-4011.
[16] Z. W. Li, M. Li, Z. F. Bian, Y. Kathiraser, S. Kawi, Appl. Catal. B, 2016, 188, 324-341.
[17] Q. L. Fang, S. H. Xuan, W. Q. Jiang, X. L. Gong, Adv. Funct. Mater., 2011, 21, 1902-1909.
[18] Z. Chen, Z. M. Cui, F. Niu, L. Jiang, W. G. Song, Chem. Commun., 2010, 46, 6524-6526.
[19] X. L. Fang, X. J. Zhao, W. J. Fang, C. Chen, N. F. Zheng, Nanoscale, 2013, 5, 2205-2218.
[20] J. Liu, H. Q. Yang, F. Kleitz, Z. G. Chen, T. Y. Yang, E. Strounina, G. Q. Lu, S. Z. Qiao, Adv. Funct. Mater., 2012, 22, 591-599.
[21] R. Güttel, M. Paul, C. Galeano, F. Schüth, J. Catal., 2012, 289, 100-104.
[22] S. N. Shmakov, Y. Jia, E. Pinkhassik, Chem. Mater., 2014, 26, 1126-1132.
[23] S. Wu, J. Dzubiella, J. Kaiser, M. Drechsler, X. H. Guo, M. Ballauff, Y. Lu, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 2229-2233.
[24] B. C. Liu, Q. Wang, S. L. Yu, T. Zhao, J. X. Han, P. Jing, W. T. Hu, L. X. Liu, J. Zhang, L. D. Sun, C. H. Yan, Nanoscale, 2013, 5, 9747-9757.
[25] X. L. Liang, J. Li, J. B. Joo, A. Gutiérrez, A. Tillekaratne, I. Lee, Y. D. Yin, F. Zaera, Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 8034-8036.
[26] J. C. Park, H. Song, Nano Res., 2011, 4, 33-49.
[27] R. Purbia, S. Paria, Nanoscale, 2015, 7, 19789-19873.
[28] H. Song, Acc. Chem. Res., 2015, 48, 491-499.
[29] G. Prieto, H. Tüysüz, N. Duyckaerts, J. Knossalla, G. H. Wang, F. Schüth, Chem. Rev., 2016, 116, 14056-14119.
[30] J. Liu, S. Z. Qiao, S. Budi Hartono, G. Q. Lu, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 4981-4985.
[31] Z. W. Li, Y. Kathiraser, S. Kawi, ChemCatChem, 2015, 7, 160-168.
[32] J. Pak, H. Yoo, Microporous Mesoporous Mater., 2014, 185, 107-112.
[33] B. C. Liu, Q. Wang, S. L. Yu, P. Jing, L. X. Liu, G. R. Xu, J. Zhang, Nanoscale, 2014, 6, 11887-11897.
[34] X. L. Fang, S. J. Liu, J. Zang, C. F. Xu, M. S. Zheng, Q. F. Dong, D. H. Sun, N. F. Zheng, Nanoscale, 2013, 5, 6908-6916.
[35] Q. Zhang, T. R. Zhang, J. P. Ge, Y. D. Yin, Nano Lett., 2008, 8, 2867-2871.
[36] J. Li, L. X. Chen, X. Li, C. C. Zhang, F. L. Zeng, Appl. Surf. Sci., 2015, 340, 126-131.
[37] H. C. Zeng, J. Mater. Chem., 2011, 21, 7511-7526.
[38] C. C. Yec, H. C. Zeng, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 4843-4851.
[39] X. W. Lou, C. L. Yuan, E. Rhoades, Q. Zhang, L. A. Archer, Adv. Funct. Mater., 2006, 16, 1679-1684.
[40] Z. Y. Wang, L. Zhou, X. W. Lou, Adv. Mater., 2012, 24, 1903-1911.
[41] L. Cao, D. H. Chen, R. A. Caruso, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 10986-10991.
[42] Z. H. Qin, H. Y. Sun, Z. Jiang, X. L. Jiao, D. R. Chen, CrystEngComm, 2013, 15, 897-902.
[43] L. Polavarapu, L. M. Liz-Marzan, Nanoscale, 2013, 5, 4355-4361.
[44] B. D. Anderson, J. B. Tracy, Nanoscale, 2014, 6, 12195-12216.
[45] A. Pearson, A. P. O'Mullane, V. Bansal, S. K. Bhargava, Chem. Commun., 2010, 46, 731-733.
[46] X. H. Xia, Y. Wang, A. Ruditskiy, Y. N. Xia, Adv. Mater., 2013, 25, 6313-6333.
[47] J. Lee, S. M. Kim, I. S. Lee, Nano Today, 2014, 9, 631-667.
[48] P. F. Xu, R. B. Yu, H. Ren, L. B. Zong, J. Chen, X. N. Xing, Chem. Sci., 2014, 5, 4221-4226.
[49] J. Jin, T. Mitome, Y. Egashira, N. Nishiyama, Colloids Surf. A, 2011, 384, 58-61.
[50] M. A. Mahmoud, R. Narayanan, M. A. El-Sayed, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1795-1805.
[51] Y. Chen, H. R. Chen, L. M. Guo, Q. J. He, F. Chen, J. Zhou, J. W. Feng, J. L. Shi, ACS Nano, 2010, 4, 529-539.
[52] C. Wang, J. C. Chen, X. R. Zhou, W. Li, Y. Liu, Q. Yue, Z. T. Xue, Y. H. Li, A. A. Elzatahry, Y. H. Deng, D. Y. Zhao, Nano Res., 2015, 8, 238-245.
[53] Z. Y. Zhao, J. Liu, M. Hahn, S. Z. Qiao, A. P. J. Middelberg, L. Z. He, RSC Adv., 2013, 3, 22008-22013.
[54] L. C. Kong, G. T. Duan, G. M. Zuo, W. P. Cai, Z. X. Cheng, Mater. Chem. Phys., 2010, 123, 421-426.
[55] H. C. Zeng, Curr. Opin. Chem. Eng., 2011, 1, 11-17.
[56] L. Pan, H. M. Liu, X. G. Lei, X. Y. Huang, D. H. Olson, N. J. Turro, J. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 542-546.
[57] C. Y. Dai, A. F. Zhang, J. J. Li, K. K. Hou, M. Liu, C. S. Song, X. W. Guo, Chem. Commun., 2014, 50, 4846-4848.
[58] S. X. Wang, X. J. Yang, Y. P. Wang, L. X. Liu, Y. Y. Guo, H. Guo, J. Solid State Chem., 2014, 213, 98-103.
[59] N. Zhang, S. Q. Liu, Y. J. Xu, Nanoscale, 2012, 4, 2227-2238.
[60] B. Liu, H. C. Zeng, Small, 2005, 1, 566-571.
[61] S. F. Xie, M. S. Jin, J. Tao, Y. C. Wang, Z. X. Xie, Y. M. Zhu, Y. N. Xia, Chem. Eur. J., 2012, 18, 14974-14980.
[62] W. X. Niu, L. Zhang, G. B. Xu, Nanoscale, 2013, 5, 3172-3181.
[63] K. M. Yeo, J. Shin, I. S. Lee, Chem. Commun., 2010, 46, 64-66.
[64] K. Jeong, S. M. Kim, I. S. Lee, Chem. Commun., 2015. 51, 499-502.
[65] D. Rosario-Amorin, X. Wang, M. Gaboyard, R. Clérac, S. Nlate, K. Heuzé, Chem. Eur. J., 2009, 15, 12636-12643.
[66] A. J. Majewski, J. Wood, W. Bujalski, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 14531-14541.
[67] F. Mirzaei, M. Rezaei, F. Meshkani, Chem. Eng. Technol., 2014, 37, 973-978.
[68] D. A. J. M. Ligthart, R. A. van Santen, E. J. M. Hensen, J. Catal., 2011, 280, 206-220.
[69] X. Y. Zhao, H. R. Li, J. P. Zhang, L. Y. Shi, D. S. Zhang, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 2447-2456.
[70] Z. Y. Lim, C. Z. Wu, W. G. Wang, K. L. Choy, H. F. Yin, RSC Adv., 2015, 5, 61925-61932.
[71] Z. F. Bian, I. Y. Suryawinata, S. Kawi, Appl. Catal. B, 2016, 195, 1-8.
[72] J. C. Park, J. U. Bang, J. Lee, C. H. Ko, H. Song, J. Mater. Chem., 2010, 20, 1239-1246.
[73] L. Li, S. C. He, Y. Y. Song, J. Zhao, W. J. Ji, C. T. Au, J. Catal., 2012, 288, 54-64.
[74] H. W. Kim, K. M. Kang, H. Y. Kwak, J. H. Kim, Chem. Eng. J., 2011, 168, 775-783.
[75] C. M. Ding, G. G. Ai, K. Zhang, Q. B. Yuan, Y. L. Han, X. S. Ma, J. W. Wang, S. B. Liu, Int. J. Hydrogen Energy, 2015, 40, 6835-6843.
[76] N. Hajjaji, M. N. Pons, A. Houas, V. Renaudin, Energy Policy, 2012, 42, 392-399.
[77] T. D. Gould, A. Izar, A. W. Weimer, J. L. Falconer, J. W. Medlin, ACS Catal., 2014, 4, 2714-2717.
[78] X. G. Zheng, S. Y. Tan, L. C. Dong, S. B. Li, H. M. Chen, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 11360-11367.
[79] K. M. Kang, H. W. Kim, I. W. Shim, H. Y. Kwak, Fuel Process. Technol., 2011, 92, 1236-1243.
[80] Z. W. Li, L. Y. Mo, Y. Kathiraser, S. Kawi, ACS Catal., 2014, 4, 1526-1536.
[81] W. W. Yang, H. M. Liu, Y. M. Li, J. Zhang, H. Wu, D. H. He, Catal. Today, 2016, 259, Part 2, 438-445.
[82] S. S. Bharadwaj, L. D. Schmidt, Fuel Process. Technol., 1995, 42, 109-127.
[83] H. W. Kim, K. M. Kang, H. Y. Kwak, Int. J. Hydrogen Energy, 2009, 34, 3351-3359.
[84] L. Li, Y. Yao, B. Sun, Z. Y. Fei, H. Xia, J. Zhao, W. J. Ji, C. T. Au, ChemCatChem, 2013, 5, 3781-3787.
[85] M. Matsuoka, M. Kitano, M. Takeuchi, K. Tsujimaru, M. Anpo, J. M. Thomas, Catal. Today, 2007, 122, 51-61.
[86] I. Paramasivam, S. Singh, M. Moll, C. Hauser, K. Meyer, P. Schmuki, Electrochim. Acta, 2012, 66, 7-11.
[87] X. F. Cui, G. Y. Jiang, M. Zhu, Z. Zhao, L. C. Du, Y. X. Weng, C. M. Xu, D. K. Zhang, Q. L. Zhang, Y. C. Wei, A. J. Duan, J. Liu, J. S. Gao, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, 38, 9065-9073.
[88] T. C. Yang, F. C. Chang, H. P. Wang, Y. L. Wei, C. J. Jou, Mar. Pollut. Bull., 2014, 85, 696-699.
[89] H. S. Kim, D. J. Kim, B. S. Kwak, G. B. Han, M. H. Um, M. Kang, Chem. Eng. J., 2014, 243, 272-279.
[90] A. A. Ismail, D. W. Bahnemann, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2014, 128, 85-101.
[91] X. B. Li, J. Liu, A. F. Masters, V. K. Pareek, T. Maschmeyer, APL Mater., 2013, 1, 041101.
[92] D. A. Wang, T. Hisatomi, T. Takata, C. S. Pan, M. Katayama, J. Kubota, K. Domen, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 11252-11256.
[93] S. Hernández, V. Cauda, D. Hidalgo, V. Farías Rivera, D. Manfredi, A. Chiodoni, F. C. Pirri, J. Alloys Compd., 2014, 615, S530-S537.
[94] I. Lee, M. A. Albiter, Q. Zhang, J. P. Ge, Y. D. Yin, F. Zaera, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 2449-2456.
[95] Q. Wang, T. Hisatomi, S. S. K. Ma, Y. B. Li, K. Domen, Chem. Mater., 2014, 26, 4144-4150.
[96] K. Maeda, K. Teramura, D. L. Lu, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen, Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45, 7806-7809.
[97] Y. Pihosh, I. Turkevych, K. Mawatari, N. Fukuda, R. Ohta, M. Tosa, K. Shimamura, E. G. Villora, T. Kitamori, Nanotechnology, 2014, 25, 315402.
[98] M. G. Wang, J. Han, H. X. Xiong, R. Guo, Langmuir, 2015, 31, 6220-6228.
[99] G. S. Li, P. Zhang, Z. F. Bian, J. Zhu, L. Wu, H. X. Li, ChemSusChem, 2013, 6, 1461-1466.
[100] Q. Q. Zhang, H. Bai, Q. Zhang, Q. Ma, Y. H. Li, C. Q. Wan, G. C. Xi, Nano Res., 2016, 9, 3038-3047.
[101] B. Liang, N. Zhang, C. Chen, X. H. Liu, R. Z. Ma, S. F. Tong, Z. W. Mei, V. A. L. Roy, H. Y. Wang, Y. G. Tang, Catal. Sci. Technol., 2017, 7, 1000-1005.
[102] J. G. Yu, K. Wang, W. Xiao, B. Cheng, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 11492-11501.
[103] S. Das, W. M. A. Wan Daud, Renewable Sustainable Energy Rev., 2014, 39, 765-805.
[104] K. Adachi, K. Ohta, T. Mizuno, Solar Energy, 1994, 53, 187-190.
[105] R. K. de Richter, T. Z. Ming, S. Caillol, Renewable Sustainable Energy Rev., 2013, 19, 82-106.
[106] E. S. Baeissa, Ceram. Int., 2014, 40, 12431-12438.
[107] W. G. Tu, Y. Zhou, H. J. Li, P. Li, Z. G. Zou, Nanoscale, 2015, 7, 14232-14236.
[108] Q. G. Zhai, S. J. Xie, W. Q. Fan, Q. H. Zhang, Y. Wang, W. P. Deng, Y. Wang, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 5776-5779.
[109] C. W. Tsai, H. M. Chen, R. S. Liu, K. Asakura, T. S. Chan, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 10180-10186.
[110] M. M. Gui, W. M. P. Wong, S. P. Chai, A. R. Mohamed, Chem. Eng. J., 2015, 278, 272-278.
[111] S. W. Liu, J. Q. Xia, J. G. Yu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 8166-8175.
[112] W. K. Wang, D. F. Xu, B. Cheng, J. G. Yu, C. J. Jiang, J. Mater. Chem. A, 2017. 5, 5020-5029.
[113] X. Wang, M. Y. Liao, Y. T. Zhong, J. Y. Zheng, W. Tian, T. Y. Zhai, C. Y. Zhi, Y. Ma, J. N. Yao, Y. Bando, D. Golberg, Adv. Mater., 2012, 24, 3421-3425.
[114] Z. F. Jiang, W. Wei, D. J. Mao, C. Chen, Y. F. Shi, X. M. Lv, J. M. Xie, Nanoscale, 2015, 7, 784-797.
[115] J. L. Li, X. J. Liu, Z. Sun, Y. Sun, L. K. Pan, J. Colloid Interface Sci., 2015, 452, 109-115.
[116] J. Zhou, L. Xu, J. L. Sun, D. P. He, H. Jiao, Surf. Coat. Technol., 2015, 271, 119-126.
[117] L. L. Chen, L. Li, T. T. Wang, L. Y. Zhang, S. X. Xing, C. G. Wang, Z. M. Su, Nanoscale, 2014, 6, 6603-6608.
[118] J. B. Joo, H. Y. Liu, Y. J. Lee, M. Dahl, H. X. Yu, F. Zaera, Y. D. Yin, Catal. Today, 2016, 264, 261-269.
[119] Y. L. Zhao, C. R. Tao, G. Xiao, G. P. Wei, L. H. Li, C. X. Liu, H. J. Su, Nanoscale, 2016, 8, 5313-5326.
[120] J. Tang, J. Liu, N. L. Torad, T. Kimura, Y. Yamauchi, Nano Today, 2014, 9, 305-323.
[121] H. Y. Zhang, H. J. Wang, K. Eid, L. Wang, Part. Part. Syst. Charact., 2015, 32, 863-868.
[122] L. Z. Gu, L. H. Jiang, J. T. Jin, J. Liu, G. Q. Sun, Carbon, 2015, 82, 572-578.
[123] K. Selvakumar, S. M. Senthil Kumar, R. Thangamuthu, G. Kruthika, P. Murugan, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 21024-21036.
[124] J. W. Xiao, C. Chen, J. B. Xi, Y. Y. Xu, F. Xiao, S. Wang, S. H. Yang, Nanoscale, 2015, 7, 7056-7064.
[125] F. B. Su, Z. C. Zhou, W. P. Guo, J. J. Liu, X. N. Tian, X. S. Zhao, in Chemistry & Physics of Carbon, L. R. Radovic eds., CRC Press, 2007, 63-128.
[126] L. Kuai, S. Z. Wang, B. Y. Geng, Chem. Commun., 2011, 47, 6093-6095.
[127] S. H. Ye, X. J. He, L. X. Ding, Z. W. Pan, Y. X. Tong, M. M. Wu, G. R. Li, Chem. Commun., 2014, 50, 12337-12340.
[128] N. V. Long, Y. Yang, C. Minh Thi, N. V. Minh, Y. Q. Cao, M. Nogami, Nano Energy, 2013, 2, 636-676.
[129] Y. Q. Huang, Y. J. Liu, Z. H. Yang, J. L. Jia, X. Li, Y. Luo, Y. P. Fang, J. Power Sources, 2014, 246, 868-875.
[130] X. G. Li, G. Liu, B. N. Popov, J. Power Sources, 2010, 195, 6373-6378.
[131] Q. R. Shi, P. N. Zhang, Y. J. Li, H. B. Xia, D. Y. Wang, X. T. Tao, Chem. Sci., 2015, 6, 4350-4357.
[132] Y. X. Ye, L. Kuai, B. Y. Geng, J. Mater. Chem., 2012, 22, 19132-19138.
[133] Y. Z. Lu, Y. Y. Jiang, X. H. Gao, X. D. Wang, W. Chen, Part. Part. Syst. Charact., 2016, 33, 560-568.
[134] H. Hu, B. Y. Guan, B. Y. Xia, X. W. Lou, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 5590-5595.
[135] H. Hu, L. Han, M. Z. Yu, Z. Y. Wang, X. W. Lou, Energy Environ. Sci., 2016, 9, 107-111.
[136] S. J. Chao, Q. Cui, K. Wang, Z. Y. Bai, L. Yang, J. L. Qiao, J. Power Sources, 2015, 288, 128-135.
[137] S. Y. Bie, Y. Q. Zhu, J. M. Su, C. Jin, S. H. Liu, R. Z. Yang, J. Wu, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 22448-22453.
[138] X. J. Zheng, X. C. Cao, J. Wu, J. H. Tian, C. Jin, R. Z. Yang, Carbon, 2016, 107, 907-916.
[139] Z. X. Yin, C. L. Zhu, C. Y. Li, S. Zhang, X. T. Zhang, Y. J. Chen, Nanoscale, 2016, 8, 19129-19138.
[140] H. Tian, S. C. Wang, C. Zhang, J. P. Veder, J. Pan, M. Jaroniec, L. Z. Wang, J. Liu, J. Mater. Chem. A, 2017. In Press
[141] Y. J. Hao, X. Jiao, H. B. Zou, H. Q. Yang, J. Liu, J. Mater. Chem. A, 2017. In Press
[142] Z. W. Wang, Y. X. Liu, T. Yang, J. G. Deng, S. H. Xie, H. X. Dai, Chin. J. Catal., 2017, 38, 207-216.
[143] S. Mortazavi-Derazkola, M. Salavati-Niasari, O. Amiri, A. Abbasi, J. Energy Chem., 2017, 26, 17-23.