Research Progress of Zeolite-encaged Single-atom Metal Catalysts

doi:10.7503/cjcu20220032

Abstract

Abstract:

Zeolites are considered as ideal supports for encapsulating ultrasmall metal species due to their uniform microporous channels， large specific surface areas， and excellent thermal stability. In recent years， thanks to the superhigh metal dispersion， nearly 100% metal utilization efficiency and unique electronic structure， zeolite-encaged single-atom metal catalysts have been widely used in many important catalytic reactions and gas adsorption/separation processes. In this review， we present a comprehensive summary of the state-of-the-art synthetic strategies of zeolite-encaged different kinds of single-atom metal catalysts and their applications in heterogeneous catalysis and gas separation. In the last part of this review， some future perspectives on the challenge and opportunity for this subject are pointed out. We hope that this review will provide reference for researchers to carry out more innovative research works in the future.

Key words: Zeolites, Single-atom, Heterogeneous catalysis, Confinement effect

CLC Number:

O614

TrendMD:

LI Jiafu, ZHANG Kai, WANG Ning, SUN Qiming. Research Progress of Zeolite-encaged Single-atom Metal Catalysts[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220032.

Figures/Tables 11

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Rh@S?1?H	Rh atoms	MFI	0.28—0.71	Insitu hydrothermal synthesis	HAADF?STEM， EXAFS， XANES，CO?DRIFTS	Ammonia borane hydrolysis； Hydrogenation of nitroarenes compounds	［16］
Rh@MFI	Rh atoms	MFI	0.95	Insitu hydrothermal synthesis	CO?DRIFTS， HAADF?STEM	Methanol carbonylation	［56］
Rh?ZSM?5_washed	Rh atoms	MFI	0.5	Impregnation method coupled with washing	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Oxidation of methane to acetic acid	［41］
Rh?ZSM?5	Rh atoms	MFI	0.1	Incipient wetness impregnation	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Oxidation of methane to acetic acid	［54］
Rh（C₂H₄）₂/SAPO?37	Rh（C₂H₄）₂	FAU	1.0	Adsorption of organometallic compounds	CO?DRIFTS， EXAFS， XANES	Hydrogenation and dimerization of ethylene	［55］
Rh（CO）₂/HY	Rh（CO）₂	FAU	0.5	Adsorption of organometallic compounds	FTIR， EXAFS， XANES	Water gas shift reaction	［79］
Pt@Y	Pt atoms	FAU	0.6	Insitu hydrothermal synthesis	HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Selective hydrogenation of α，β?unsaturated aldehydes and nitroarenes	［58］
Pt?ISAS@Y	Pt atoms	FAU	0.22	Insitu hydrothermal synthesis	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Ethane dehydrogenation and n?hexane isomerization	［17］
Catalyst	Noble or non?noble metal species	Zeolite type	Metal loading/（mass fraction， %）	Synthetic method	Characterization method	Application	Ref.
Pt?Zn?DeAlBEA	Pt atoms	BEA	0.73	Impregnation method	HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Propane dehydrogenation	［47］
Pt/HZSM?5	Pt atoms	MFI	0.5	Chemical vapor deposition	CO?DRIFTS， HAADF?STEM	CO oxidation Water?gas shift	［80］
Pt/KLTL	Pt atoms	LTL	1.0	Ion exchange	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	CO oxidation	［50］
Ir（C₂H₄）₂/HY	Ir（C₂H₄）₂	FAU	1.0	Adsorption of organometallic compounds	HAADF?STEM， EXAFS	Cyclohexene hydrogenation	［61］
Ir（C₂H₄）₂/HSSZ-53	Ir（C₂H₄）₂	SFH	1.0	Adsorption of organometallic compounds	FTIR， HAADF?STEM， EXAFS	Ethylene hydrogenation	［60］
Ir@MWW?air	Ir atoms	MWW	0.24	Insitu hydrothermal synthesis	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Hydrogenolysis of alkane	［48］
Au（CH₃）₂/NaY	Au（CH₃）₂	FAU	1.0	Adsorption of organometallic compounds	FTIR， HAADF?STEM， EXAFS	CO oxidation	［45］
Au?K/KLTL	Au atoms	LTL	0.25	Impregnation method	HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Water?gas shift reaction	［64］
Pd/ZSM?5	Pd atoms	MFI	0.01—0.04	Incipient wetness impregnation	TEM， EXAFS	Methane oxidation	［65］
Ru（acac）·（C₂H₄）₂/HY	Ru（acac）（C₂H₄）₂	FAU	1.0	Adsorption of organometallic compounds	FTIR， EXAFS	Ethylene dimerization	［66］
Ru@S?1	Ru atoms	MFI	0.27	Insitu hydrothermal synthesis	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Ammonia synthesis	［42］
Fe?BEA	Fe atoms	BEA	0.3	Impregnation method	Magnetic circular dichroism， M?ssbauer spectroscopy	Methane hydroxylation	［68］
FeS?1?EDTA	Fe atoms	MFI	1.2	Insitu hydrothermal synthesis	UV Raman spectra， EXAFS， H₂?TPR	Ethane dehydrogenation	［43］
Ni@CHA	Ni atoms	CHA	3.5	Insitu hydrothermal synthesis	XANES， EXAFS， UV?Vis?NIR	Acetylene?selective hydrogenation	［46］
Ni@FAU	Ni atoms	FAU	4.5	Insitu hydrothermal synthesis	XANES， in situ neutron powder diffraction， TEM	Chemoselective alkyne/olefin separation	［70］
Cu?LTA	Cu atoms	LTA	3.6	Ion exchange	XANES， synchrotron powder XRD， ESR	NH₃?SCR	［49］
Cu?SSZ?13	Cu atoms	CHA	2.1—3.1	Ion exchange	XANES， EXAFS， UV?Vis?NIR	NH₃?SCR	［71］
Ga/H?MFI	Ga atoms	MFI	0.3—3.0	Vapor?phase exchange	XANES， EXAFS	Propane dehydrogenation	［75］
In?CHA	In atoms	CHA	ca. 6.0	Solid?state ion?exchange	FTIR， XANES， EXAFS	Ethane dehydrogenation	［76］
Ti/UCB?4	calix［4］arene?Ti^IV	-SVY	0.37	Grafting of Ti complex	XANES	Cyclohexene epoxidation	［77］

Catalyst	Noble or non?noble metal species	Zeolite type	Metal loading/（mass fraction， %）	Synthetic method	Characterization method	Application	Ref.
Rh@S?1?H	Rh atoms	MFI	0.28—0.71	Insitu hydrothermal synthesis	HAADF?STEM， EXAFS， XANES，CO?DRIFTS	Ammonia borane hydrolysis； Hydrogenation of nitroarenes compounds	［16］
Rh@MFI	Rh atoms	MFI	0.95	Insitu hydrothermal synthesis	CO?DRIFTS， HAADF?STEM	Methanol carbonylation	［56］
Rh?ZSM?5_washed	Rh atoms	MFI	0.5	Impregnation method coupled with washing	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Oxidation of methane to acetic acid	［41］
Rh?ZSM?5	Rh atoms	MFI	0.1	Incipient wetness impregnation	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Oxidation of methane to acetic acid	［54］
Rh（C₂H₄）₂/SAPO?37	Rh（C₂H₄）₂	FAU	1.0	Adsorption of organometallic compounds	CO?DRIFTS， EXAFS， XANES	Hydrogenation and dimerization of ethylene	［55］
Rh（CO）₂/HY	Rh（CO）₂	FAU	0.5	Adsorption of organometallic compounds	FTIR， EXAFS， XANES	Water gas shift reaction	［79］
Pt@Y	Pt atoms	FAU	0.6	Insitu hydrothermal synthesis	HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Selective hydrogenation of α，β?unsaturated aldehydes and nitroarenes	［58］
Pt?ISAS@Y	Pt atoms	FAU	0.22	Insitu hydrothermal synthesis	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Ethane dehydrogenation and n?hexane isomerization	［17］
Catalyst	Noble or non?noble metal species	Zeolite type	Metal loading/（mass fraction， %）	Synthetic method	Characterization method	Application	Ref.
Pt?Zn?DeAlBEA	Pt atoms	BEA	0.73	Impregnation method	HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Propane dehydrogenation	［47］
Pt/HZSM?5	Pt atoms	MFI	0.5	Chemical vapor deposition	CO?DRIFTS， HAADF?STEM	CO oxidation Water?gas shift	［80］
Pt/KLTL	Pt atoms	LTL	1.0	Ion exchange	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	CO oxidation	［50］
Ir（C₂H₄）₂/HY	Ir（C₂H₄）₂	FAU	1.0	Adsorption of organometallic compounds	HAADF?STEM， EXAFS	Cyclohexene hydrogenation	［61］
Ir（C₂H₄）₂/HSSZ-53	Ir（C₂H₄）₂	SFH	1.0	Adsorption of organometallic compounds	FTIR， HAADF?STEM， EXAFS	Ethylene hydrogenation	［60］
Ir@MWW?air	Ir atoms	MWW	0.24	Insitu hydrothermal synthesis	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Hydrogenolysis of alkane	［48］
Au（CH₃）₂/NaY	Au（CH₃）₂	FAU	1.0	Adsorption of organometallic compounds	FTIR， HAADF?STEM， EXAFS	CO oxidation	［45］
Au?K/KLTL	Au atoms	LTL	0.25	Impregnation method	HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Water?gas shift reaction	［64］
Pd/ZSM?5	Pd atoms	MFI	0.01—0.04	Incipient wetness impregnation	TEM， EXAFS	Methane oxidation	［65］
Ru（acac）·（C₂H₄）₂/HY	Ru（acac）（C₂H₄）₂	FAU	1.0	Adsorption of organometallic compounds	FTIR， EXAFS	Ethylene dimerization	［66］
Ru@S?1	Ru atoms	MFI	0.27	Insitu hydrothermal synthesis	CO?DRIFTS， HAADF?STEM， EXAFS， XANES	Ammonia synthesis	［42］
Fe?BEA	Fe atoms	BEA	0.3	Impregnation method	Magnetic circular dichroism， M?ssbauer spectroscopy	Methane hydroxylation	［68］
FeS?1?EDTA	Fe atoms	MFI	1.2	Insitu hydrothermal synthesis	UV Raman spectra， EXAFS， H₂?TPR	Ethane dehydrogenation	［43］
Ni@CHA	Ni atoms	CHA	3.5	Insitu hydrothermal synthesis	XANES， EXAFS， UV?Vis?NIR	Acetylene?selective hydrogenation	［46］
Ni@FAU	Ni atoms	FAU	4.5	Insitu hydrothermal synthesis	XANES， in situ neutron powder diffraction， TEM	Chemoselective alkyne/olefin separation	［70］
Cu?LTA	Cu atoms	LTA	3.6	Ion exchange	XANES， synchrotron powder XRD， ESR	NH₃?SCR	［49］
Cu?SSZ?13	Cu atoms	CHA	2.1—3.1	Ion exchange	XANES， EXAFS， UV?Vis?NIR	NH₃?SCR	［71］
Ga/H?MFI	Ga atoms	MFI	0.3—3.0	Vapor?phase exchange	XANES， EXAFS	Propane dehydrogenation	［75］
In?CHA	In atoms	CHA	ca. 6.0	Solid?state ion?exchange	FTIR， XANES， EXAFS	Ethane dehydrogenation	［76］
Ti/UCB?4	calix［4］arene?Ti^IV	-SVY	0.37	Grafting of Ti complex	XANES	Cyclohexene epoxidation	［77］

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