金催化作用的结构敏感性

doi:10.3866/PKU.WHXB201511092

摘要/Abstract

摘要：

金催化是纳米催化的代表性体系，金催化作用表现出复杂的结构敏感性。这篇综述总结了金催化作用研究的文献结果和我们利用从单晶到纳米晶的模型催化剂研究金催化作用的进展。展示了NO分解，CO氧化，丙烯在氢气和氧气气氛中环氧化等反应中金催化作用的结构敏感性和金催化剂的活性结构，讨论了金纳米粒子几何结构和电子结构、金纳米粒子–氧化物载体相互作用对金催化作用的影响和金表面低温高催化活性的来源，并展望了金催化作用结构敏感性的未来研究方向。

关键词: 表面化学, 多相催化, 模型催化剂, CO氧化反应, NO分解反应, 丙烯环氧化反应

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 words: Surface chemistry, Heterogeneous catalysis, Model catalyst, CO oxidation reaction, NO decomposition reaction, Propylene epoxidation reaction

黄伟新,千坤,邬宗芳,陈士龙. 金催化作用的结构敏感性[J]. 物理化学学报, 2016, 32(1), 48-60. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511092

Wei-Xin HUANG,Kun QIAN,Zong-Fang WU,Shi-Long CHEN. Structure-Sensitivity of Au Catalysis[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32(1), 48-60. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511092

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201511092

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I1/48

参考文献

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]	罗耀武, 王定胜. 单原子催化剂电子结构调控实现高效多相催化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212020 -0 .
[2]	张明旭, 周琪森, 梅馨怡, 陈婧萱, 邱俊明, 李修志, 李霜, 于牧冰, 秦朝朝, 张晓亮. 贫PbI₂基体的胶体量子点固体用于高效红外太阳能电池[J]. 物理化学学报, 2023, 39(3): 2210002 -0 .
[3]	张建, 王亮, 伍芷毅, 王成涛, 苏泽瑞, 肖丰收. 理性设计核-壳Rh@沸石催化材料用于二烯烃选择加氢反应[J]. 物理化学学报, 2020, 36(9): 1912001 - .
[4]	高云楠,刘世桢,赵振清,陶亨聪,孙振宇. 二氧化碳多相催化加氢制C₂及以上烃类和醇的研究进展[J]. 物理化学学报, 2018, 34(8): 858 -872 .
[5]	孙国栋,康熙,金山,李小武,胡大乔,汪恕欣,朱满洲. 银镍合金团簇Ag₄Ni₂(SPhMe₂)₈ (SPhMe₂ = 2, 4-二甲基苯硫酚)的合成及其结构表征[J]. 物理化学学报, 2018, 34(7): 799 -804 .
[6]	兰海,肖熙,袁善良,张彪,周桂林,蒋毅. 无额外供氢体下负载型MoFeO_x催化剂催化甘油制丙烯醇[J]. 物理化学学报, 2017, 33(11): 2301 -2309 .
[7]	王利,施宏,刘慧慧,邵翔,吴凯. Mo(001)表面的CaO(001)薄膜模型催化体系的STM研究[J]. 物理化学学报, 2016, 32(1): 183 -194 .
[8]	韩永,徐倩,鞠焕鑫,朱俊发. Ni在ZrO₂(111)薄膜表面的生长、电子结构及热稳定性[J]. 物理化学学报, 2015, 31(11): 2151 -2157 .
[9]	梁倩, 赵震, 刘坚, 韦岳长, 姜桂元, 段爱军. 金属有机骨架材料MIL-53(Al)负载纳米Pd颗粒：一种CO氧化的活性催化剂[J]. 物理化学学报, 2014, 30(1): 129 -134 .
[10]	周晋, 李文, 邢伟, 禚淑萍. 可调有序介孔炭在有机和硫酸电解液中的电容性质[J]. 物理化学学报, 2011, 27(06): 1431 -1438 .
[11]	马嘉璧, 吴晓楠, 赵艳霞, 何圣贵, 丁迅雷. 钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究[J]. 物理化学学报, 2010, 26(07): 1761 -1767 .
[12]	蔡钒;张彬彬;林静;张国玉;方维平;杨乐夫. 酯交换制生物柴油的CaO固体碱催化剂[J]. 物理化学学报, 2008, 24(10): 1817 -1823 .
[13]	孙波;孟祥举;王世超;孙淑清;肖丰收. 颜色指示法高通量筛选多相催化材料[J]. 物理化学学报, 2006, 22(04): 441 -444 .
[14]	郎需庆;马红钦;谭欣;朱慧铭. PTFE超细颗粒的表面活化与化学接枝[J]. 物理化学学报, 2005, 21(07): 703 -706 .
[15]	王辉;张秀娟;张晓宏;吴世康. 纳米硅胶颗粒的制备及其对金属离子的识别[J]. 物理化学学报, 2004, 20(03): 313 -317 .