Please wait a minute...
Acta Physico-Chimica Sinca  2016, Vol. 32 Issue (1): 48-60    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201511092
REVIEW     
Structure-Sensitivity of Au Catalysis
Wei-Xin HUANG*(),Kun QIAN,Zong-Fang WU,Shi-Long CHEN
Download: HTML     PDF(24432KB) Export: BibTeX | EndNote (RIS)      

Abstract  

Au catalysis is representative of nanocatalysis. Au catalysis has been demonstrated to be very complex and structure-sensitive. In this short review we summarize the literature reports on Au catalysis and our recent progress on the fundamental understanding of Au catalysis using model catalysts from single crystals to nanocrystals. We demonstrate the structure-sensitivity of Au catalysis used for NO decomposition, CO oxidation, and propylene epoxidation with H2 and O2 and the corresponding active Au structures. We discuss the effects of the geometric and electronic structures and the Au–oxide support interactions on Au catalysis, and the origin of high catalytic activity of the Au surface at low temperatures. Finally, we provide an outlook for future research directions of structure-sensitive Au catalysis.



Key wordsSurface chemistry      Heterogeneous catalysis      Model catalyst      CO oxidation reaction      NO decomposition reaction      Propylene epoxidation reaction     
Received: 12 October 2015      Published: 09 November 2015
MSC2000:  O643  
Fund:  the National Key Basic Research Program of China (973)(2013CB933104);National Natural Science Foundation ofChina(21525313, 20973161, 21373192);MOE Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(WK2060030017);MPG-CAS Partner Group Program and Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology
Corresponding Authors: Wei-Xin HUANG     E-mail: huangwx@ustc.edu.cn
Cite this article:

Wei-Xin HUANG,Kun QIAN,Zong-Fang WU,Shi-Long CHEN. Structure-Sensitivity of Au Catalysis. Acta Physico-Chimica Sinca, 2016, 32(1): 48-60.

URL:

http://www.whxb.pku.edu.cn/10.3866/PKU.WHXB201511092     OR     http://www.whxb.pku.edu.cn/Y2016/V32/I1/48

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 Hutchings G. J. J. Catal. 1985, 96, 292.
2 Nkosi B. ; Coville N. J. ; Hutchings G. J. Appl. Catal. 1988, 43, 33.
3 Haruta M. ; Kobayashi T. ; Sano H. ; Yamada N. Chem. Lett. 1987, 16, 405.
4 Haruta M. ; Yamada N. ; Kobayashi T. ; Iijima S. J. Catal. 1989, 115, 301.
5 Bond G. C. ; Thompson D. T. Cat. Rev. Sci. Eng. 1999, 41, 319.
6 Haruta M. ; Daté M. Appl. Catal. A: Gen. 2001, 222, 427.
7 Hashmi A. S. K. ; Hutchings G. J. Angew. Chem. Int. Edit. 2006, 45, 7896.
8 Takei T. ; Akita T. ; Nakamura I. ; Fujitani T. ; Okumura M. ; Okazaki K. ; Huang J. ; Ishida T. ; Haruta M. Adv. Catal. 2012, 55, 1.
9 Ide M. S. ; Davis R. J. Accounts Chem. Res. 2014, 47, 825.
10 Ojeda M. ; Iglesia E. Chem. Commun. 2009, 3, 352.
11 Lee S. ; Molina L. M. ; López M. ; Alonso J. A. ; Hammer B. ; Lee B. ; Seifert S. ; Winans R. E. ; Elam J. W. ; Pellin M. J. ; Vajda S. Angew. Chem. Int. Edit. 2009, 48, 1467.
12 Huang J. ; Akita T. ; Faye J. ; Fujitani T. ; Takei T. ; Haruta M. Angew. Chem. Int. Edit. 2009, 48, 7862.
13 Fujitani T. ; Nakamura I. Angew. Chem. Int. Edit. 2011, 50, 10144.
14 Schubert M. M. ; Hackenberg S. ; van Veen A. C. ; Muhler M. ; Plzak V. ; Behm R. J. J. Catal. 2001, 197, 113.
15 Daté M. ; Okumura M. ; Tsubota S. ; Haruta M. Angew. Chem. Int. Edit. 2004, 43, 2129.
16 Costello C. K. ; Kung M. C. ; Oh H. S. ; Wang Y. ; Kung H. H. Appl. Catal. A: Gen. 2002, 232, 159.
17 Costello C. K. ; Yang J. H. ; Law H. Y. ; Wang Y. ; Lin J. N. ; Marks L. D. ; Kung M. C. ; Kung H. H. Appl. Catal. A 2003, 243, 15.
18 Kung H. H. ; Kung M. C. ; Costello C. K. J. Catal. 2003, 216, 425.
19 Sanchez-Castillo M. A. ; Couto C. ; Kim W. B. ; Dumesic J. A. Angew. Chem. Int. Edit. 2004, 43, 1140.
20 Saavedra J. ; Doan H. A. ; Pursell C. J. ; Grabow L. C. ; Chandler B. D. Science 2014, 345, 1599.
21 Anderson J. R. ; Shlmoyama Y. ; In Proc. 5th Int. Congr. Catal.; Hightower J. W. Elsevier B. V.: North-Holland, Amsterdam 1973, p965
22 Boudart M. ; Aldag A. W. ; Ptak L. D. ; Benson J. E. J. Catal. 1968, 17, 35.
23 Boudart M. ; Aldag A. W. ; Benson J. E. ; Dougharty N. A. ; Harklns G. C. J. Catal. 1966, 6, 92.
24 Dorllng T. A. ; Moss R. L. J. Catal. 1966, 5, 111.
25 Boudart. M. Adv. Catal 1969, 20, 153.
26 Volta. J. C. ; Portefaix. J. L. Appl. Catal. 1985, 18, 1.
27 Carberry J. J. J. Catal. 1987, 107, 248.
28 Carberry J. J. J. Catal. 1988, 114, 277.
29 Haruta M. ; Tsubota S. ; Kobayashi T. ; Kageyama H. ; Genet M. J. ; Delmon B. J. Catal. 1993, 144, 175.
30 Bamwenda G. R. ; Tsubota S. ; Nakamura T. ; Haruta M. Catal. Lett. 1997, 44, 83.
31 Valden M. ; Lai X. ; Goodman D. W. Science 1998, 281, 1647.
32 Zanella R. ; Giorgio S. ; Shin C. H. ; Henry C. R. ; Louis C. J. Catal. 2004, 222, 357.
33 Tai Y. ; Yamaguchi W. ; Tajiri K. ; Kageyama H. Appl. Catal. A: Gen. 2009, 364, 143.
34 Laoufi I. ; Saint-Lager M. C. ; Lazzari R. ; Jupille J. ; Robach O. ; Garaudée S. ; Cabailh G. ; Dolle P. ; Cruguel H. ; Bailly A. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 4673.
35 Haruta M. Chem. Rec. 2003, 3, 75.
36 Green I. X. ; Tang W. ; Neurock M. ; Yates J. T. Jr. Science 2011, 333, 736.
37 Lopez N. ; Janssens T. V. W. ; Clausen B. S. ; Xu Y. ; Mavrikakis M. ; Bligaard T. ; Nørskov J. K. J. Catal. 2004, 223, 232.
38 Janssens T. V. W. ; Clausen B. S. ; Hvolbæk B. ; Falsig H. ; Christensen C. H. ; Bligaard T. ; Nørskov J. K. Topic Catal. 2007, 44, 15.
39 Falsig H. ; Hvolbæk B. ; Kristensen I. S. ; Jiang T. ; Bligaard T. ; Christensen C. H. ; Nørskov J. K. Angew. Chem. Int. Edit. 2008, 47, 4835.
40 Maeda Y. ; Okumura M. ; Tsubota S. ; Kohyama M. ; Haruta M. Appl. Surf. Sci. 2004, 222, 409.
41 Chen M. S. ; Goodman D. W. Science 2004, 306, 252.
42 Herzing A. A. ; Kiely C. J. ; Carley A. F. ; Landon P. ; Hutchings G. J. Science 2008, 321, 1331.
43 Liu Y. ; Jia C. J. ; Yamasaki J. ; Terasaki O. ; Schüth F. Angew. Chem. Int. Edit. 2010, 49, 5771.
44 Haruta M. Catal. Today 1997, 36, 153.
45 Qian K. ; Fang J. ; Huang W. X. ; He B. ; Jiang Z. Q. ; Ma Y. S. ; Wei S. Q. J. Mol. Catal. A: Chem. 2010, 320, 97.
46 Somorjai G. A. ; Carrazza J. Ind. Eng. Chem. Fundam. 1986, 25, 63.
47 Parker I. B. ; Waugh K. C. ; Bowker M. J. Catal. 1988, 114, 457.
48 Bennett C. O. ; Che M. J. Catal. 1989, 120, 293.
49 Meyer R. ; Lemire C. ; Shaikhutdinov S. K. ; Freund H. J. Gold Bull. 2004, 37, 72.
50 Chen M. S. ; Goodman D. W. Accounts Chem. Res. 2006, 39, 739.
51 Min B. K. ; Friend C. M. Chem. Rev. 2007, 107, 2709.
52 Risse T. ; Shaikhutdinov S. ; Nilius N. ; Sterrer M. ; Freund H. J. Accounts Chem. Res. 2008, 41, 949.
53 Chen M. S. ; Goodman D. W. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 1860.
54 Gong J. L. ; Mullins C. B. Accounts Chem. Res. 2009, 42, 1063.
55 Carabineiro S. A. C. ; Nieuwenhuys B. E. Gold Bull. 2010, 43, 252.
56 Gong J. L. Chem. Rev. 2012, 112, 2987.
57 Stowers K. J. ; Madix R. J. ; Friend C. M. J. Catal. 2013, 308, 131.
58 Outka D. A. ; Madix R. J. Surf. Sci. 1987, 179, 351.
59 Gottfried J. M. ; Schmidt K. J. ; Schroeder S. L. M. ; Christmann K. Surf. Sci. 2003, 536, 206.
60 Meier D. C. ; Bukhtiyarov V. ; Goodman D.W. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 12668.
61 McElhiney G. ; Pritchard J. Surf. Sci. 1976, 60, 397.
62 Peters K. F. ; Steadman P. ; Isern H. ; Alvarez J. ; Ferrer S. Surf. Sci. 2000, 467, 10.
63 Olsen C. W. ; Masel R. I. Surf. Sci. 1988, 201, 444.
64 Canning N. D. S. ; Outka D. ; Madix R. J. Surf. Sci. 1984, 141, 240.
65 Outka D. A. ; Madix R. J. Surf. Sci. 1987, 179, 351.
66 Saliba N. ; Parker D. H. ; Koel B. E. Surf. Sci. 1998, 410, 270.
67 Parker D. H. ; Koel B. E. J. Vac. Sci. Tech. A 1990, 8, 2585.
68 Gottfried J. M. ; Schmidt K. J. ; Schroeder S. L. M. ; Christmann K. Surf. Sci. 2003, 525, 184.
69 Gottfried J. M. ; Schmidt K. J. ; Schroeder S. L. M. ; Christmann K. Surf. Sci. 2002, 511, 65.
70 Deng X. ; Min B. K. ; Guloy A. ; Friend C. M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9267.
71 Gottfried J. M. ; Christmann K. Surf. Sci 2004, 566|568, 1112.
72 Lazaga M. A. ; Wickham D. T. ; Parker D. H. ; Kastanas G. N. ; Koel B. E. ACS Symp. Ser. 1993, 523, 90.
73 Min B. K. ; Alemozafar A. R. ; Pinnaduwage D. ; Deng X. ; Friend C. M. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 19833.
74 Gong J. L. ; Ojifinni R. A. ; Kim T. S. ; Stiehl J. D. ; McClure S. M. ; White J. M. ; Mullins C. B. Topic Catal. 2007, 44, 57.
75 Outka D. A. ; Madix R. J. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 1708.
76 Kim T. S. ; Gong J. ; Ojifinni R. A. ; White J. M. ; Mullins C. B. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 6282.
77 Ojifinni R. A. ; Froemming N. S. ; Gong J. ; Pan M. ; Kim T. S. ; White J. M. ; Henkelman G. ; Mullins C. B. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6801.
78 Quiller R. G. ; Baker T. A. ; Deng X. ; Colling M. E. ; Min B. K. ; Friend C. M. J. Chem. Phys. 2008, 129, 064702.
79 Ojifinni R. A. ; Gong J. L. ; Froemming N. S. ; Flaherty D. W. ; Pan M. ; Henkelman G. ; Mullins C. B. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 11250.
80 Bartram M. E. ; Koel B. E. Surf. Sci. 1989, 213, 137.
81 Wang J. ; Koel B. E. Surf. Sci. 1999, 436, 15.
82 McClure S. M. ; Kim T. S. ; Stiehl J. D. ; Tanaka P. L. ; Mullins C. B. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17952.
83 Gong J. L. ; Ojifinni R. A. ; Kim T. S. ; White J. M. ; Mullins C. B. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9012.
84 Lopez N. ; Garcia-Mota M. ; Gomez-Diaz J. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 247.
85 Davis K. A. ; Goodman D. W. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8557.
86 Outka D. A. ; Madix R. J. Surf. Sci. 1987, 179, 361.
87 Gong J. L. ; Flaherty D. W. ; Ojifinni R. A. ; White J. M. ; Mullins C. B. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 5501.
88 Gong J. L. ; Mullins C. B. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16458.
89 Gong J. L. ; Flaherty D. W. ; Yan T. ; Mullins C. B. ChemPhysChem 2008, 9, 2461.
90 Liu X. ; Xu B. ; Haubrich J. ; Madix R. J. ; Friend C. M. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5757.
91 Xu B. ; Liu X. ; Haubrich J. ; Madix R. J. ; Friend C. M. Angew. Chem. Int. Edit. 2009, 48, 4206.
92 Xu B. ; Liu X. ; Haubrich J. ; Friend C. M. Nat. Chem. 2009, 2, 61.
93 Xu B. ; Madix R. J. ; Friend C. M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16571.
94 Xu B. ; Haubrich J. ; Baker T. A. ; Kaxiras E. ; Friend C. M. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 3703.
95 Vinod C. P. ; Kulkarni G. U. ; Rao C. N. R. Chem. Phys. Lett. 1998, 289, 329.
96 DiCenzo S. B. ; Berry S. D. ; Hartford E. H. Phys. Rev. B 1988, 38, 8465.
97 Boyen H. G. ; Herzog T. ; Kastle G. ; Weigl F. ; Ziemann P. ; Spatz J. P. ; Möller M. ; Wahrenberg R. ; Garnier M. G. ; Oelhafen P. Phys. Rev. B 2002, 65, 075412.
98 Mason M. G. Phys. Rev. B 1983, 27, 748.
99 Liang K. S. ; Salaneck W. R. ; Aksay I. A. Solid State Commun. 1976, 19, 329.
100 Cordes O. ; Harsdorff M. Appl. Surf. Sci. 1988, 33, 152.
101 Zafeiratos S. ; Kennou S. Surf. Sci. 1999, 443, 238.
102 Lim D. C. ; Lopez-Salido I. ; Dietsche R. ; Bubek M. ; Kim Y. D. Angew. Chem. Int. Edit. 2006, 45, 2413.
103 Kizuka T. ; Tanaka N. Phys. Rev. B 1997, 56, 10079.
104 Costanzo E. ; Faraci G. ; Pennisi A. R. ; Ravesi S. ; Terrasi A. ; Margaritondo G. Solid State Commun. 1992, 81, 155.
105 Chusuei C. ; Lai X. ; Luo K. ; Goodman D. W. Top. Catal. 2001, 14, 71.
106 Häkkinen H. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 1847.
107 Shaikhutdinov S. ; Meyer R. ; Naschitzki M. ; Bäumer M. ; Freund H. J. Catal. Lett. 2003, 86, 211.
108 Meier D. C. ; Goodman D. W. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1892.
109 Huang W. X. Science China Chemistry 2012, 42, 469.
109 黄伟新. 中国科学:化学, 2012, 42, 469.
110 Huang W. X. Top. Catal. 2013, 56, 1363.
111 Huang W. X. ; Gao Y. X. Catal. Sci. Technol. 2014, 4, 3772.
112 Huang, W. X. In RSC Catalysis Series-Heterogeneous Gold Catalysts and Catalysis; Ma, Z., Dai, S. Eds., Royal Society of Chemistry: Cambridge, UK, 2014; pp 533–574.
113 Huang, W. X.; Cao, T. In Catalysis by Materials with Well-Defined Structure; Wu, Z. L.,Overbury, S. H. Eds., Elsevier B.V.: Amsterdam, Netherlands, 2015; pp 1–29.
114 Wu Z. F. ; Xu L. S. ; Zhang W. H. ; Ma Y. S. ; Yuan Q. ; Jin Y. K. ; Yang J. L. ; Huang W. X. J. Catal. 2013, 304, 112.
115 Wu Z. F. ; Ma Y. S. ; Zhang Y. L. ; Xu L. S. ; Chen B. H. ; Yuan Q. ; Huang W. X. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 3608.
116 Wu Z. F. ; Jiang Z. Q. ; Jin Y. K. ; Xiong F. ; Sun G. H. ; Huang W. X. Science China Chemistry 2016, in press
117 Wu Z. F. ; Jin Y. K. ; Xu L. S. ; Yuan Q. ; Xiong F. ; Jiang Z. Q. ; Huang W. X. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 8397.
118 Wu Z. F. ; Jiang Z. Q. ; Jin Y. K. ; Xiong F. ; Huang W. X. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 26258.
119 Qian K. ; Jiang Z. Q. ; Huang W. X. J. Mol. Catal. A: Chem. 2007, 264, 26.
120 Qian K. ; Sun H. X. ; Huang W. X. ; Fang J. ; Lv S. S. ; He B. ; Jiang Z. Q. ; Wei S. Q. Chem. Eur. J. 2008, 14, 10595.
121 Wang S. ; Qian K. ; Bi X. Z. ; Huang W. X. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6505.
122 Qian K. ; Zhang W. H. ; Sun H. X. ; Fang J. ; He B. ; Ma Y. S. ; Jiang Z. Q. ; Wei. S. Q. ; Yang J. L. ; Huang W. X. J. Catal. 2011, 277, 95.
123 Qian K. ; Luo L. F. ; Bao H. Z. ; Hua Q. ; Jiang Z. Q. ; Huang W. X. Catal. Sci. Technol. 2013, 3, 679.
124 Jiang Z. Q. ; Zhang W. H. ; Jin L. ; Yang X. ; Xu F. Q. ; Zhu J. F. ; Huang W. X. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 12434.
125 Yu Y. ; Xu L. S. ; Zhang W. H. ; Jiang Z. Q. ; Zhu J. F. ; Huang W. X. Chin. J. Chem. Phys. 2009, 22, 339.
126 Chen S. L. ; Zhang B. S. ; Su D. S. ; Huang W. X. ChemCatChem 2015, 7, 3290.
127 Qian K. ; Huang W. X. ; Jiang Z. Q. ; Sun H. X. J. Catal. 2007, 248, 137.
128 Qian K. ; Huang W. X. ; Fang J. ; Lv S. S. ; He B. ; Jiang Z. Q. ; Wei S. Q. J. Catal. 2008, 255, 269.
129 Qian K. ; Lv S. S. ; Xiao X. Y. ; Sun H. X. ; Lu J. Q. ; Luo M. F. ; Huang W. X. J. Mol. Catal. A: Chem. 2009, 306, 40.
130 Chen S. L. ; Luo L. F. ; Jiang Z. Q. ; Huang W. X. ACS Catal. 2015, 5, 1653.
[1] Hai LAN,Xi XIAO,Shan-Liang YUAN,Biao ZHANG,Gui-Lin ZHOU,Yi JIANG. MoFeOx-Supported Catalysts for the Catalytic Conversion of Glycerol to Allyl Alcohol without External Hydrogen Donors[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 2017, 33(11): 2301-2309.
[2] WANG Li, SHI Hong, LIU Hui-Hui, SHAO Xiang, WU Kai. STM Study of CaO(001) Model Catalytic Thin Films Prepared on Mo(001) Surface[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 2016, 32(1): 183-194.
[3] HAN Yong, XU Qian, JU Huan-Xin, ZHU Jun-Fa. Growth, Electronic Structure and Thermal Stability of Ni on ZrO2(111) Thin Film Surfaces[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 2015, 31(11): 2151-2157.
[4] LIANG Qian, ZHAO Zhen, LIU Jian, WEI Yue-Chang, JIANG Gui-Yuan, DUAN Ai-Jun. Pd Nanoparticles Deposited on Metal-Organic Framework of MIL-53(Al):an Active Catalyst for CO Oxidation[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 2014, 30(1): 129-134.
[5] WAN Dong, WANG Guang-Hua, LI Wen-Bing, CHEN Kun, SHU Guang. Synthesis of Fe-Al Pillared Bentonite and Heterogeneous Fenton Degradation of Orange Ⅱ[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 2013, 29(11): 2429-2436.
[6] MA Jia-Bi, WU Xiao-Nan, ZHAO Yan-Xia, HE Sheng-Gui, DING Xun-Lei. Experimental and Theoretical Studies of the Reactions between Vanadium Oxide Cluster Anions and Small Hydrocarbon Molecules[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 2010, 26(07): 1761-1767.
[7] Wang Xu-Xu;Fu Xian-Zhi. Reaction of Surface Hydroxyl Group of MCM41 with Tetraneopentylzirconium[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 2001, 17(02): 165-168.
[8] Xie Lei, Wang De-Zheng, Wei Xu-Ming, Cao Yu-Ming, Guo Xie-Xian, Ushikubo T, Wada K. The Preparation of A |Model Nb Oxide Catalyst Epitaxially Grown[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 1995, 11(03): 234-241.
[9] Ji Wei-Jie; Shen Shi-Kong; Li Shu-Ben; Wang Hong-Li. Dispersion State of Ferric Oxide on ZrO2 and its Influence on the Catalytic Performance[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 1993, 9(03): 311-318.
[10] Zhu Yong-Fa. AES Chemical Shift and Application on Surface Chemistry[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 1993, 9(02): 211-217.
[11] Zhao Liang-Zhong; Guo Zhong-Cheng; Liang Zhen-Hua; Hu Yu-Xiu; Liu Han-Fan. Variations in the Elemental Concentration in Surface Region of the YBCO Films and Interactions of the Films with Substrate in Heating Process Studied by Angular Deprndent XPS[J]. Acta Physico-Chimica Sinca, 1991, 7(03): 305-310.