Abstract
Metal nanoparticles are key materials in heterogeneous catalysis due to their high catalytic activity and selectivity to the desired product. Accordingly, they are playing a pivotal role in most heterogeneous catalytic reactions that are steeply growing with the development of a colloidal synthetic protocol that enables fine control of size, shape, morphology and composition of metal nanoparticles at an atomic level. These colloidal metal nanoparticles can be dispersed on a rigid support such as mesoporous silica, metal oxide and zeolite, which utilizes metal nanoparticles as model heterogeneous catalysts in industrially important processes involving hydrogenation/dehydrogenation, isomerization and cracking. In this review article, we highlight the recent progress on general colloidal synthetic routes with technological advances in characterization tools that enable the atomic-scale observation of metal nanoparticles. Structure-dependent contributions on the control of product selectivity and turnover rate are also discussed by combining advanced ex situ and in situ surface characterization tools that can monitor the structural change of metal nanocatalysts as well as the evolution of reaction intermediates under the reaction conditions.
Similar content being viewed by others
References
G. A. Somorjai and Y. Li Introduction to Surface Chemistry and Catalysis, 2nd ed (Wiley, Hoboken, 2010).
G. Ertl, H. Knözinger, and J. Weitkamp Handbook of Heterogeneous Catalysis (Wiley-VCH, Weinheim, 1997).
B. C. Gates (1995). Chem. Rev. 95, 511.
B. C. Gates (2000). J. Mol. Catal. A 163, 55.
G. A. Somorjai and J. Y. Park (2008). Angew. Chem. 120, 9352.
G. A. Somorjai and J. Y. Park (2008). Angew. Chem. Int. Ed. 47, 9212.
V. V. Pushkarev, Z. W. Zhu, K. An, A. Hervier, and G. A. Somorjai (2012). Top. Catal. 55, 1257.
K. An and G. A. Somorjai (2012). ChemCatChem 4, 1512.
Y. N. Xia, Y. J. Xiong, B. Lim, and S. E. Skrabalak (2009). Angew. Chem. 121, 62.
Y. N. Xia, Y. J. Xiong, B. Lim, and S. E. Skrabalak (2009). Angew. Chem. Int. Ed. 48, 60.
B. Lim and Y. N. Xia (2011). Angew. Chem. 123, 78.
B. Lim and Y. N. Xia (2011). Angew. Chem. Int. Ed. 50, 76.
V. K. Lamer and R. H. Dinegar (1950). J. Am. Chem. Soc. 72, 4847.
C. Burda, X. B. Chen, R. Narayanan, and M. A. El-Sayed (2005). Chem. Rev. 105, 1025.
Q. Zhang, S. J. Liu, and S. H. Yu (2009). J. Mater. Chem. 19, 191.
H. Hofmeier and U. S. Schubert (2004). Chem. Soc. Rev. 33, 373.
E. C. Constable, J. Lewis, M. C. Liptrot, and P. R. Raithby (1990). Inorg. Chim. Acta 178, 47.
P. W. Sutton and L. F. Dahl (1967). J. Am. Chem. Soc. 89, 261.
G. Mpourmpakis, S. Caratzoulas, and D. G. Vlachos (2010). Nano Lett. 10, 3408.
M. C. Daniel and D. Astruc (2004). Chem. Rev. 104, 293.
X. M. Lin, H. M. Jaeger, C. M. Sorensen, and K. J. Klabunde (2001). J. Phys. Chem. B 105, 3353.
Z. X. Wang, B. Tan, I. Hussain, N. Schaeffer, M. F. Wyatt, M. Brust, and A. I. Cooper (2007). Langmuir 23, 885.
K. An, S. Alayoglu, T. Ewers, and G. A. Somorjai (2012). J. Colloid Interface Sci. 373, 1.
G. Wulff (1901). Z. Kristallogr. 34, 449.
J. L. Elechiguerra, J. Reyes-Gasga, and M. J. Yacaman (2006). J. Mater. Chem. 16, 3906.
E. Leontidis, K. Kleitou, T. Kyprianidou-Leodidou, V. Bekiari, and P. Lianos (2002). Langmuir 18, 3659.
Q. Zhang, N. Li, J. Goebl, Z. D. Lu, and Y. D. Yin (2011). J. Am. Chem. Soc. 133, 18931.
Y. T. Yu and B. Q. Xu (2006). Appl. Organomet. Chem. 20, 638.
J. M. Petroski, Z. L. Wang, T. C. Green, and M. A. El-Sayed (1998). J. Phys. Chem. B 102, 3316.
W. W. Weare, S. M. Reed, M. G. Warner, and J. E. Hutchison (2000). J. Am. Chem. Soc. 122, 12890.
J. Turkevich, P. C. Stevenson, and J. Hillier (1951). Discuss. Faraday Soc. 11, 55.
V. Iablokov, S. K. Beaumont, S. Alayoglu, V. V. Pushkarev, C. Specht, J. Gao, A. P. Alivisatos, N. Kruse, and G. A. Somorjai (2012). Nano Lett. 12, 3091.
A. Huczko (2000). Appl. Phys. A 70, 365.
Y. Borodko, P. Ercius, V. Pushkarev, C. Thompson, and G. A. Somorjai (2012). J. Phys. Chem. Lett. 3, 236.
T. L. Wade and J. E. Wegrowe (2005). Eur. Phys. J. Appl. Phys. 29, 3.
Q. Zhang, J. Ge, J. Goebl, Y. Hu, Y. Sun, and Y. Yin (2010). Adv. Mater. 22, 1905.
T. Kyotani, L. F. Tsai, and A. Tomita (1997). Chem. Commun. 7, 701.
B. M. I. van der Zande, M. R. Bohmer, L. G. J. Fokkink, and C. Schonenberger (1997). J. Phys. Chem. B 101, 852.
V. M. Cepak and C. R. Martin (1998). J. Phys. Chem. B 102, 9985.
B. M. I. van der Zande, M. R. Bohmer, L. G. J. Fokkink, and C. Schonenberger (2000). Langmuir 16, 451.
B. R. Martin, D. J. Dermody, B. D. Reiss, M. Fang, L. A. Lyon, M. J. Natan, and T. E. Mallouk (1999). Adv. Mater. 11, 1021.
C. B. Gao, Q. Zhang, Z. D. Lu, and Y. D. Yin (2011). J. Am. Chem. Soc. 133, 19706.
P. Somasundaran, Encyclopedia of Surface and Colloid Science (Taylor and Francis, New York, 2006), 2nd edn., vol 2, p 618.
A. Gole and C. J. Murphy (2004). Chem. Mater. 16, 3633.
B. Nikoobakht and M. A. El-Sayed (2001). Chem. Mater. 15, 1957.
N. R. Jana, L. Gearheart, and C. J. Murphy (2001). Adv. Mater. 13, 1389.
Q. Zhang and Y. D. Yin (2013). Chem. Commun. 49, 215.
H. J. Chen, L. Shao, Q. Li, and J. F. Wang (2013). Chem. Soc. Rev. 42, 2679.
Y. G. Sun and Y. N. Xia (2002). Science 298, 2176.
Y. X. Hu, J. P. Ge, D. Lim, T. R. Zhang, and Y. Yin (2008). J. Solid State Chem. 181, 1524.
J. Y. Chen, T. Herricks, and Y. N. Xia (2005). Angew. Chem. Int. Ed. 44, 2589.
Y. Xiong, J. Chen, B. Wiley, and Y. Xia (2005). J. Am. Chem. Soc. 127, 7332.
Y. Zhang, M. E. Grass, S. E. Habas, F. Tao, T. Zhang, P. Yang, and G. A. Somorjai (2007). J. Phys. Chem. C 111, 12243.
X. P. Yan, H. F. Liu, and K. Y. Liew (2001). J. Mater. Chem. 11, 3387.
Y. W. Zhang, M. E. Grass, W. Y. Huang, and G. A. Somorjai (2010). Langmuir 26, 16463.
S. M. Humphrey, M. E. Grass, S. E. Habas, K. Niesz, G. A. Somorjai, and T. D. Tilley (2007). Nano Lett. 7, 785.
J. D. Hoefelmeyer, K. Niesz, G. A. Somorjai, and T. D. Tilley (2005). Nano Lett. 5, 435.
Y. Zhang, M. E. Grass, J. N. Kuhn, F. Tao, S. E. Habas, W. Huang, P. Yang, and G. A. Somorjai (2008). J. Am. Chem. Soc. 130, 5868.
M. H. So, C. M. Ho, R. Chen, and C. M. Che (2010). Chem. Asian J. 5, 1322.
Z. L. Wang (2000). J. Phys. Chem. B 104, 1153.
B. Lim, M. J. Jiang, P. H. C. Camargo, E. C. Cho, J. Tao, X. M. Lu, Y. M. Zhu, and Y. N. Xia (2009). Science 324, 1302.
Y. W. Zhang, W. Y. Huang, S. E. Habas, J. N. Kuhn, M. E. Grass, Y. Yamada, P. Yang, and G. A. Somorjai (2008). J. Phys. Chem. C 112, 12092.
G. Ertl (1990). Angew. Chem. Int. Ed. 29, 1219.
H. J. Freund, H. Kuhlenbeck, J. Libuda, G. Rupprechter, M. Bäumer, and H. Hamann (2001). Top. Catal. 15, 201.
R. W. Joyner, M. W. Roberts, and K. Yates (1979). Surf. Sci. 87, 501.
M. Salmeron and R. Schlögl (2008). Surf. Sci. Rep. 63, 169.
M. Montano, K. M. Bratlie, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2006). J. Am. Chem. Soc. 128, 13229.
G. Ketteler, D. F. Ogletree, H. Bluhm, H. Liu, E. L. D. Hebenstreit, and M. Salmeron (2005). J. Am. Chem. Soc. 127, 18269.
J. Haubrich, R. G. Quiller, L. Benz, Z. Liu, and C. M. Friend (2010). Langmuir 26, 2445.
X. Deng, J. Lee, C. Wang, C. Matranga, F. Aksoy, and Z. Liu (2010). J. Phys. Chem. C 114, 22619.
F. El Gabaly, M. E. Grass, A. H. McDaniel, R. L. Farrow, M. A. Linne, Z. Hussain, H. Bluhm, Z. Liu, and K. F. McCarty (2010). Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 12138.
M. E. Grass, Y. Zhang, D. R. Butcher, J. Y. Park, Y. Li, H. Bluhm, K. M. Bratlie, T. Zhang, and G. A. Somorjai (2008). Angew. Chem. Int. Ed. 47, 8893.
P. Jiang, S. Porsgaard, F. Borondics, M. Köber, A. Caballero, H. Bluhm, F. Besenbacher, and M. Salmeron (2010). J. Am. Chem. Soc. 132, 2858.
C. Zhang, M. E. Grass, A. H. McDaniel, S. C. DeCaluwe, F. El Gabaly, Z. Liu, K. F. McCarty, R. L. Farrow, M. A. Linne, Z. Hussain, G. S. Jackson, H. Bluhm, and B. W. Eichhorn (2010). Nat. Mater. 9, 944.
F. Tao, M. E. Grass, Y. Zhang, D. R. Butcher, F. Aksoy, S. Aloni, V. Altoe, S. Alayoglu, J. R. Renzas, C. K. Tsung, Z. Zhu, Z. Liu, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2010). J. Am. Chem. Soc. 132, 8697.
F. Tao, M. E. Grass, Y. Zhang, D. R. Butcher, J. R. Renzas, Z. Liu, J. Y. Chung, B. S. Mun, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2008). Science 322, 932.
G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, and E. Weibel (1982). Appl. Phys. Lett. 40, 178.
G. Binnig, H. Rohrer, C. Gerber, and E. Weibel (1983). Phys. Rev. Lett. 50, 120.
V. M. Hallmark, S. Chiang, J. F. Rabolt, J. D. Swalen, and R. J. Wilson (1987). Phys. Rev. Lett. 59, 2879.
J. Wintterlin, J. Wiechers, H. Brune, T. Gritsch, H. Höfer, and R. J. Behm (1989). Phys. Rev. Lett. 62, 59.
B. J. McIntyre, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (1993). J. Vac. Sci. Technol. A 11, 1964.
E. Lægsgaard, L. Österlund, P. Thostrup, P. B. Rasmussen, I. Stensgaard, and F. Besenbacher (2001). Rev. Sci. Instrum. 72, 3537.
A. Kolmakov and D. W. Goodman (2003). Rev. Sci. Instrum. 74, 2444.
P. B. Rasmussen, B. L. M. Hendriksen, H. Zeijlemaker, H. G. Ficke, and J. W. M. Frenken (1998). Rev. Sci. Instrum. 69, 3879.
M. Rößler, P. Geng, and J. Wintterlin (2005). Rev. Sci. Instrum. 76, 023705.
F. Tao, D. C. Tang, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2008). Rev. Sci. Instrum. 79, 084101.
K. B. Rider, K. S. Hwang, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2001). Phys. Rev. Lett. 86, 4330.
S. R. Longwitz, J. Schnadt, E. K. Vestergaard, R. T. Vang, E. Laegsgaard, I. Stensgaard, H. Brune, and F. Besenbacher (2004). J. Phys. Chem. B 108, 14497.
R. Reichelt, S. Günther, M. Rößler, J. Wintterlin, B. Kubias, B. Jakobi, and R. Schlögl (2007). Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 3590.
M. Montano, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2006). Surf. Sci. 600, 1809.
D. C. Tang, K. S. Hwang, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2004). J. Phys. Chem. B 108, 13300.
L. Österlund, P. B. Rasmussen, P. Thostrup, E. Lægsgaard, I. Stensgaard, and F. Besenbacher (2001). Phys. Rev. Lett. 86, 460.
P. Thostrup, E. Christoffersen, H. T. Lorensen, K. W. Jacobsen, F. Besenbacher, and J. K. Nørskov (2001). Phys. Rev. Lett. 87, 126102.
L. R. Merte, J. Knudsen, F. M. Eichhorn, S. Porsgaard, H. Zeuthen, L. C. Grabow, E. Lægsgaard, H. Bluhm, M. Salmeron, M. Mavrikakis, and F. Besenbacher (2011). J. Am. Chem. Soc. 133, 10692.
F. Tao, S. Dag, L. W. Wang, Z. Liu, D. R. Butcher, H. Bluhm, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2010). Science 327, 850.
F. Tao, S. Dag, L. W. Wang, Z. Liu, D. R. Butcher, M. Salmeron, and G. A. Somorjai (2009). Nano. Lett. 9, 2167.
E. K. Vestergaard, R. T. Vang, J. Knudsen, T. Pedersen, T. An, E. Lægsgaard, I. Stensgaard, B. Hammer, and F. Besenbacher (2005). Phys. Rev. Lett. 95, 126101.
B. L. M. Hendriksen, S. C. Bobaru, and J. W. M. Frenken (2004). Surf. Sci. 552, 229.
C. T. Herbschleb, S. C. Bobaru, and J. W. M. Frenken (2010). Catal. Today 154, 61.
R. Pecora Dynamic Light Scattering—Applications of Photon Correlation Spectroscopy (Plenum Press, New York, 1985).
A. Panáček, L. Kvítek, R. Prucek, M. Kolář, R. Večeřova, N. Pizŭrová, V. K. Sharma, T. Nevěčná, and R. Zbořil (2006). J. Phys. Chem. B 110, 16248.
H. Jans, X. Liu, L. Austin, G. Maes, and Q. Huo (2009). Anal. Chem. 81, 9425.
J. B. Falabella, T. J. Cho, D. C. Ripple, V. A. Hackley, and M. J. Tarlov (2010). Langmuir 26, 12740.
J.-D. Qiu, H.-Z. Peng, R.-P. Liang, J. Li, and X.-H. Xia (2007). Langmuir 23, 2133.
M. Yang, Y. Yang, H. Yang, G. Shen, and R. Yu (2006). Biomaterials 27, 246.
S. H. Joo, S. J. Choi, I. Oh, J. Kwak, Z. Liu, O. Terasaki, and R. Ryoo (2001). Nature 412, 169.
J. Solla-Gullŏn, F. J. Vidal-Iglesias, V. Montiel, and A. Aldaz (2004). Electrochim. Acta 49, 5079.
P. Waszczuk, T. M. Barnard, C. Rice, R. I. Masel, and A. Wieckowski (2002). Electrochem. Commun. 4, 599.
W. Li, C. Liang, W. Zhou, J. Qiu, Z. Zhou, G. Sun, and Q. Xin (2003). J. Phys. Chem. B 107, 6292.
E. Yoo, T. Okata, T. Akita, M. Kohyama, J. Nakamura, and I. Honma (2009). Nano Lett. 9, 2255.
C. J. Kliewer, C. Aliaga, M. Bieri, W. Y. Huang, C. K. Tsung, J. B. Wood, K. Komvopoulos, and G. A. Somorjai (2010). J. Am. Chem. Soc. 132, 13088.
G. A. Somorjai, H. Frei, and J. Y. Park (2009). J. Am. Chem. Soc. 131, 16589.
M. Grass, R. Rioux, and G. A. Somorjai (2009). Catal. Lett. 128, 1.
C. J. Kliewer, M. Bieri, and G. A. Somorjai (2009). J. Am. Chem. Soc. 131, 9958.
J. N. Kuhn, W. Y. Huang, C. K. Tsung, Y. W. Zhang, and G. A. Somorjai (2008). J. Am. Chem. Soc. 130, 14026.
K. M. Bratlie, H. Lee, K. Komvopoulos, P. D. Yang, and G. A. Somorjai (2007). Nano Lett. 7, 3097.
I. Lee, F. Delbecq, R. Morales, M. A. Albiter, and F. Zaera (2009). Nat. Mater. 8, 132.
I. Lee, R. Morales, M. A. Albiter, and F. Zaera (2008). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 15241.
F. Zaera (2009). Acc. Chem. Res. 42, 1152.
S. Alayoglu, C. Aliaga, C. Sprung, and G. A. Somorjai (2011). Catal. Lett. 141, 914.
K. Hayek, R. Kramer, and Z. Paál (1997). Appl. Catal. A 162, 1.
E. L. Muetterties and M. J. Krause (1983). Angew. Chem. Int. Ed. 22, 135.
S. J. Tauster, S. C. Fung, and R. L. Garten (1978). J. Am. Chem. Soc. 100, 170.
R. T. K. Baker, E. B. Prestridge, and G. B. Mcvicker (1984). J. Catal. 89, 422.
T. Komaya, A. T. Bell, Z. Wengsieh, R. Gronsky, F. Engelke, T. S. King, and M. Pruski (1994). J. Catal. 149, 142.
S. Bernal, J. J. Calvino, M. A. Cauqui, J. M. Gatica, C. L. Cartes, J. A. P. Omil, and J. M. Pintado (2003). Catal. Today 77, 385.
R. Baker, A. Hervier, H. Seo, G. Kennedy, K. Komvopoulos, and G. A. Somorjai (2011). J. Phys. Chem. C 115, 16006.
A. Hervier, L. R. Baker, K. Komvopoulos, and G. A. Somorjai (2011). J. Phys. Chem. C 115, 22960.
D. C. Cronemeyer (1959). Phys. Rev. 1, 1222.
S. A. Bilmes, P. Mandelbaum, F. Alvarez, and N. M. Victoria (2000). J. Phys. Chem. B 104, 9851.
H. Seo, L. R. Baker, A. Hervier, J. Kim, J. L. Whitten, and G. A. Somorjai (2011). Nano Lett. 11, 751.
K. Na, M. Choi, and R. Ryoo (2013). Microporous Mesoporous Mater. 166, 3.
Y. Tao, H. Kanoh, L. Abrams, and K. Kanek (2006). Chem. Rev. 106, 896.
K. Egeblad, C. H. Christensen, M. Kustova, and C. H. Christensen (2008). Chem. Mater. 20, 946.
K. Na, C. Jo, J. Kim, K. Cho, J. Jung, Y. Seo, R. J. Messinger, B. F. Chmelka, and R. Ryoo (2011). Science 333, 328.
M. Choi, K. Na, J. Kim, Y. Sakamoto, O. Terasaki, and R. Ryoo (2009). Nature 461, 246.
K. Na, M. Choi, W. Park, Y. Sakamoto, O. Terasaki, and R. Ryoo (2010). J. Am. Chem. Soc. 132, 4169.
S. Calero, M. Schenk, D. Dubbeldam, T. L. M. Maesen, and B. Smit (2004). J. Catal. 228, 121.
J. Kang, K. Cheng, L. Zhang, Q. Zhang, J. Ding, W. Hua, Y. Lou, Q. Zhai, and Y. Wang (2011). Angew. Chem. Int. Ed. 50, 5200.
K. Cheng, J. Kang, S. Huang, Z. You, Q. Zhang, J. Ding, W. Hua, Y. Lou, W. Deng, and Y. Wang (2012). ACS Catal. 2, 441.
J. Bao, J. He, Y. Zhang, Y. Yoneyama, and N. Tsubaki (2008). Angew. Chem. Int. Ed. 47, 353.
C. A. Witham, W. Huang, C.-K. Tsung, J. N. Kuhn, G. A. Somorjai, and F. D. Toste (2009). Nat. Chem. 2, 36.
W. Huang, J. H.-C. Liu, S. Alayoglu, Y. Li, C. A. Witham, C.-K. Tsung, F. D. Toste, and G. A. Somorjai (2010). J. Am. Chem. Soc. 132, 16771.
Acknowledgments
This work was funded by the Director, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, and the U.S. Department of Energy under Contract No. DE-AC02-05CH11231. KN thanks to the financial support from Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (2012R1A6A3A03039602). QZ thanks the support of Prof. A. Paul Alivisatos and financial support from the Dow Chemical Company (20120984).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
Kyungsu Na and Qiao Zhang have contributed equally to this work.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Na, K., Zhang, Q. & Somorjai, G.A. Colloidal Metal Nanocatalysts: Synthesis, Characterization, and Catalytic Applications. J Clust Sci 25, 83–114 (2014). https://doi.org/10.1007/s10876-013-0636-6
Received:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s10876-013-0636-6