Citation: 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. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62770-0
单原子催化剂的制备、表征及催化性能
研究表明,共沉淀法、湿浸渍法和反奥斯瓦尔德熟化法等方法可用来制备氧化物负载的SACs.高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)表明金属是以单原子形式均匀分散在载体上,近边X射线吸收精细结构(XANES)结果表明金属原子与载体之间存在着强相互作用.实验和理论研究均表明该类催化剂在CO氧化反应、水煤气转化及乙炔加氢生成乙烯等反应中具有高的催化活性和稳定性.采用化学气相沉积法和原子层沉积法等方法可以将金属原子稳定地负载在具有缺陷活性位点的石墨烯、MXene及六方氮化硼等二维材料上并相应制备出SACs.X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和XANES分析表明样品中金属以单原子形式存在,而且金属原子与载体之间也存在着强相互作用,理论计算表明金属原子与二维载体之间的电荷转移是SACs活性高的主要原因.置换反应法和连续还原法是制备溶胶型SACs的有效方法,其中置换反应法可将活性金属原子原位组装在金属模板团簇的顶点位置,连续还原法可将活性原子负载于金属模板团簇的表面.DFT计算表明活性原子和金属模板团簇之间存在电荷转移效应,这是溶胶型SACs具有非常高的催化活性的主要原因.
SACs下一步的研究方向可能是:(1)研究开发新型SACs,尽可能提高催化剂中活性金属原子的含量;(2)深入研究SACs的结构、活性以及催化机理之间的关系;(3)尝试将SACs大规模应用于工业催化.
English
Preparation, characterization and catalytic performance of single-atom catalysts
-
-
[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.
-
计量
- PDF下载量: 447
- 文章访问数: 8816
- HTML全文浏览量: 3819