Recent advances in gold-metal oxide core-shell nanoparticles: Synthesis, characterization, and their application for heterogeneous catalysis

Michelle Lukosi , Huiyuan Zhu , Sheng Dai

Front. Chem. Sci. Eng. ›› 2016, Vol. 10 ›› Issue (1) : 39 -56.

PDF (1786KB)
Front. Chem. Sci. Eng. ›› 2016, Vol. 10 ›› Issue (1) : 39 -56. DOI: 10.1007/s11705-015-1551-1
REVIEW ARTICLE
REVIEW ARTICLE

Recent advances in gold-metal oxide core-shell nanoparticles: Synthesis, characterization, and their application for heterogeneous catalysis

Author information +
History +
PDF (1786KB)

Abstract

Heterogeneous catalysis with core-shell structures has been a large area of focus for many years. This paper reviews the most recent work and research in core-shell catalysts utilizing noble metals, specifically gold, as the core within a metal oxide shell. The advantage of the core-shell structure lies in its capacity to retain catalytic activity under thermal and mechanical stress, which is a pivotal consideration when synthesizing any catalyst. This framework is particularly useful for gold nanoparticles in protecting them from sintering so that they retain their size, structure, and most importantly their catalytic efficiency. The different methods of synthesizing such a structure have been compiled into three categories: seed-mediated growth, post selective oxidation treatment, and one-pot chemical synthesis. The selective oxidation of carbon monoxide and reduction of nitrogen containing compounds, such as nitrophenol and nitrostyrene, have been studied over the past few years to evaluate the functionality and stability of the core-shell catalysts. Different factors that could influence the catalyst’s performance are the size, structure, choice of metal oxide shell and noble metal core and thereby the interfacial synergy and lattice mismatch between the core and shell. In addition, the morphology of the shell also plays a critical role, including its porosity, density, and thickness. This review covers the synthesis and characterization of gold-metal oxide core-shell structures, as well as how they are utilized as catalysts for carbon monoxide (CO) oxidation and selective reduction of nitrogen-containing compounds.

Graphical abstract

Cite this article

Download citation ▾
Michelle Lukosi, Huiyuan Zhu, Sheng Dai. Recent advances in gold-metal oxide core-shell nanoparticles: Synthesis, characterization, and their application for heterogeneous catalysis. Front. Chem. Sci. Eng., 2016, 10(1): 39-56 DOI:10.1007/s11705-015-1551-1

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

References

[1]

Kummer J. Catalysts for automobile emission control. Progress in Energy and Combustion Science19806(2): 177–199

[2]

Gandhi HGraham GMcCabe R W. Automotive exhaust catalysis. Journal of Catalysis2003216(1): 433–442

[3]

Twigg M V. Roles of catalytic oxidation in control of vehicle exhaust emissions. Catalysis Today2006117(4): 407–418

[4]

Kummer J. Use of noble metals in automobile exhaust catalysts. Journal of Physical Chemistry198690(20): 4747–4752

[5]

Shelef MMcCabe R W. Twenty-five years after introduction of automotive catalysts: What next? Catalysis Today200062(1): 35–50

[6]

Jacobsen C JMadsen CHouzvicka JSchmidt ICarlsson A. Mesoporous zeolite single crystals. Journal of the American Chemical Society2000122(29): 7116–7117

[7]

Corma ADiaz-Cabanas M JMartínez-Triguero JRey FRius J. A large-cavity zeolite with wide pore windows and potential as an oil refining catalyst. Nature2002418(6897): 514–517

[8]

Cabri W. Catalysis: The pharmaceutical perspective. Catalysis Today2009140(1): 2–10

[9]

An TYang HSong WLi GLuo HCooper W J. Mechanistic considerations for the advanced oxidation treatment of fluoroquinolone pharmaceutical compounds using TiO2 heterogeneous catalysis. Journal of Physical Chemistry A2010114(7): 2569–2575

[10]

Janardhanan V MDeutschmann O. CFD analysis of a solid oxide fuel cell with internal reforming: Coupled interactions of transport, heterogeneous catalysis and electrochemical processes. Journal of Power Sources2006162(2): 1192–1202

[11]

Park SGorte R JVohs J M. Applications of heterogeneous catalysis in the direct oxidation of hydrocarbons in a solid-oxide fuel cell. Applied Catalysis A, General2000200(1): 55–61

[12]

Li WLiang CZhou WQiu JZhou ZSun GXin Q. Preparation and characterization of multiwalled carbon nanotube-supported platinum for cathode catalysts of direct methanol fuel cells. Journal of Physical Chemistry B2003107(26): 6292–6299

[13]

Bond G C. The effect of the metal to non-metal transition on the activity of gold catalysts. Faraday Discussions2011152: 277–291

[14]

Haruta M. When gold is not noble: Catalysis by nanoparticles. Chemical Record (New York, N.Y.)20033(2): 75–87

[15]

Bond G C. The origins of particle size effects in heterogeneous catalysis. Surface Science1985156: 966–981

[16]

Alivisatos A P. Semiconductor clusters, nanocrystals, and quantum dots. Science1996271(5251): 933–937

[17]

Zhang QLee IJoo J BZaera FYin Y. Core-shell nanostructured catalysts. Accounts of Chemical Research201246(8): 1816–1824

[18]

Bartholomew C H. Mechanisms of catalyst deactivation. Applied Catalysis A, General2001212(1): 17–60

[19]

Tripathy S KMishra AJha S KWahab RAl-Khedhairy A A. Synthesis of thermally stable monodispersed Au@ SnO2 core-shell structure nanoparticles by a sonochemical technique for detection and degradation of acetaldehyde. Analytical Methods20135(6): 1456–1462

[20]

Chen YZhu BYao MWang SZhang S. The preparation and characterization of Au@TiO2 nanoparticles and their catalytic activity for CO oxidation. Catalysis Communications201011(12): 1003–1007

[21]

Wu X FChen Y FYoon J MYu Y T. Fabrication and properties of flower-shaped Pt@TiO2 core-shell nanoparticles. Materials Letters201064(20): 2208–2210

[22]

Haruta M. Catalysis of gold nanoparticles deposited on metal oxides. CATTech20026(3): 102–115

[23]

Haruta M. Chance and necessity: My encounter with gold catalysts. Angewandte Chemie International Edition201453(1): 52–56

[24]

Valden MLai XGoodman D W. Onset of catalytic activity of gold clusters on titania with the appearance of nonmetallic properties. Science1998281(5383): 1647–1650

[25]

Haruta MKobayashi TSano HYamada N. Novel gold catalysts for the oxidation of carbon monoxide at a temperature far below  0 °C. Chemistry Letters1987, 16(2): 405–408

[26]

Haruta MYamada NKobayashi TIijima S. Gold catalysts prepared by coprecipitation for low-temperature oxidation of hydrogen and of carbon monoxide. Journal of Catalysis1989115(2): 301–309

[27]

Zhang JTang YLee KOuyang M. Tailoring light-matter-spin interactions in colloidal hetero-nanostructures. Nature2010466(7302): 91–95

[28]

Baker G A. Nanoparticles: From theory to application. Journal of the American Chemical Society, 2004126(47): 15632–15633

[29]

Natelson D. Nanostructures and Nanotechnology. Cambridge: Cambridge University Press2015

[30]

Aguirre M ERodríguez H BSan Román EFeldhoff AGrela M A. Ag@ZnO core-shell nanoparticles formed by the timely reduction of Ag+ ions and zinc acetate hydrolysis in N,N-dimethylformamide: Mechanism of growth and photocatalytic properties. Journal of Physical Chemistry C2011115(50): 24967–24974

[31]

Arroyo-Ramírez LChen CCargnello MMurray C BFornasiero PGorte R J. Supported platinum-zinc oxide core-shell nanoparticle catalysts for methanol steam reforming. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability20142(45): 19509–19514

[32]

Zhang NLiu SFu XXu Y J. Synthesis of M@TiO2 (M= Au, Pd, Pt) core-shell nanocomposites with tunable photoreactivity. Journal of Physical Chemistry C2011115(18): 9136–9145

[33]

An KZhang QAlayoglu SMusselwhite NShin J YSomorjai G A. High-temperature catalytic reforming of n-hexane over supported and core-shell Pt nanoparticle catalysts: Role of oxide-metal interface and thermal stability. Nano Letters201414(8): 4907–4912

[34]

Liu SXie MLi YGuo XJi WDing WAu C. Novel sea urchin-like hollow core-shell SnO2 superstructures: Facile synthesis and excellent ethanol sensing performance. Sensors and Actuators. B, Chemical2010151(1): 229–235

[35]

Phadungdhitidhada SThanasanvorakun SMangkorntong PChoopun SMangkorntong NWongratanaphisan D. SnO2 nanowires mixed nanodendrites for high ethanol sensor response. Current Applied Physics201111(6): 1368–1373

[36]

McAleer J FMoseley P TNorris J OWilliams D E. Tin dioxide gas sensors. Part 1. Aspects of the surface chemistry revealed by electrical conductance variations. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions 1. Physical Chemistry in Condensed Phases198783(4): 1323–1346

[37]

Yu KWu ZZhao QLi BXie Y. High-temperature-stable Au@SnO2 core/shell supported catalyst for CO oxidation. Journal of Physical Chemistry C2008112(7): 2244–2247

[38]

Galeano CGüttel RPaul MArnal PLu A HSchüth F. Yolk-shell gold nanoparticles as model materials for support—effect studies in heterogeneous catalysis: Au,@C and Au,@ZrO2 for CO oxidation as an example. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany)201117(30): 8434–8439

[39]

Bakhmutsky KWieder N LCargnello MGalloway BFornasiero PGorte R J. A Versatile route to core-shell catalysts: Synthesis of dispersible M@ Oxide (M= Pd, Pt; Oxide= TiO2, ZrO2) nanostructures by self–assembly. ChemSusChem20125(1): 140–148

[40]

Manicone P FIommetti P RRaffaelli L. An overview of zirconia ceramics: Basic properties and clinical applications. Journal of Dentistry200735(11): 819–826

[41]

Wei YZhao ZYu XJin BLiu JXu CDuan AJiang GMa S. One-pot synthesis of core-shell Au@ CeO2-d nanoparticles supported on three-dimensionally ordered macroporous ZrO2 with enhanced catalytic activity and stability for soot combustion. Catalysis Science & Technology20133(11): 2958–2970 

[42]

Kong LChen WMa DYang YLiu SHuang S. Size control of Au@Cu2O octahedra for excellent photocatalytic performance. Journal of Materials Chemistry201222(2): 719–724

[43]

Lin F HDoong R. Bifunctional Au-Fe3O4 heterostructures for magnetically recyclable catalysis of nitrophenol reduction. Journal of Physical Chemistry C2011115(14): 6591–6598

[44]

Zhang HJi ZXia TMeng HLow-Kam CLiu RPokhrel SLin SWang XLiao Y PWang MLi LRallo RDamoiseaux RTelesca DMädler LCohen YZink J INel A E. Use of metal oxide nanoparticle band gap to develop a predictive paradigm for oxidative stress and acute pulmonary inflammation. ACS Nano20126(5): 4349–4368

[45]

Zhu HSigdel AZhang SSu DXi ZLi QSun S. Core/shell Au/MnO nanoparticles prepared through controlled oxidation of AuMn as an electrocatalyst for sensitive H2O2 detection. Angewandte Chemie2014126(46): 12716–12720

[46]

Zhang TZhao HHe SLiu KLiu HYin YGao C. Unconventional route to encapsulated ultrasmall gold nanoparticles for high-temperature catalysis. ACS Nano20148(7): 7297–7304

[47]

Rubinstein MKodama RMakhlouf S A. Electron spin resonance study of NiO antiferromagnetic nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials2001234(2): 289–293

[48]

Biju VKhadar M A. DC conductivity of consolidated nanoparticles of NiO. Materials Research Bulletin200136(1): 21–33

[49]

Wang ZBi HWang PWang MLiu ZLiu X. Magnetic and microwave absorption properties of self-assemblies composed of core-shell cobalt-cobalt oxide nanocrystals. Physical Chemistry Chemical Physics201517(5): 3796–3801

[50]

Zhang JTang YLee KOuyang M. Nonepitaxial growth of hybrid core-shell nanostructures with large lattice mismatches. Science2010327(5973): 1634–1638

[51]

Sun HHe JWang JZhang S YLiu CSritharan TMhaisalkar SHan M YWang DChen H. Investigating the multiple roles of polyvinylpyrrolidone for a general methodology of oxide encapsulation. Journal of the American Chemical Society2013135(24): 9099–9110

[52]

Zheleva TJagannadham KNarayan J. Epitaxial growth in large-lattice-mismatch systems. Journal of Applied Physics199475(2): 860–871

[53]

Chen YWashburn J. Structural transition in large-lattice-mismatch heteroepitaxy. Physical Review Letters199677(19): 4046–4049

[54]

Kukta RFreund L. Minimum energy configuration of epitaxial material clusters on a lattice-mismatched substrate. Journal of the Mechanics and Physics of Solids199745(11): 1835–1860

[55]

Qi JChen JLi GLi SGao YTang Z. Facile synthesis of core-shell Au@CeO2 nanocomposites with remarkably enhanced catalytic activity for CO oxidation. Energy & Environmental Science20125(10): 8937–8941

[56]

Liu D YDing S YLin H XLiu B JYe Z ZFan F RRen BTian Z Q. Distinctive enhanced and tunable plasmon resonant absorption from controllable Au@Cu2O nanoparticles: Experimental and theoretical modeling. Journal of Physical Chemistry C2012116(7): 4477–4483

[57]

Meir NJen-La P IFlomin KChockler EMoshofsky BDiab MVolokh MMokari T. Studying the chemical, optical and catalytic properties of noble metal (Pt, Pd, Ag, Au)-Cu2O core-shell nanostructures grown via a general approach. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability20131(5): 1763–1769

[58]

Wang W CLyu L MHuang M H. Investigation of the effects of polyhedral gold nanocrystal morphology and facets on the formation of Au-Cu2O core-shell heterostructures. Chemistry of Materials201123(10): 2677–2684

[59]

Zhang LBlom D AWang H. Au-Cu2O core-shell nanoparticles: A hybrid metal-semiconductor heteronanostructure with geometrically tunable optical properties. Chemistry of Materials201123(20): 4587–4598

[60]

Yin HMa ZChi MDai S. Heterostructured catalysts prepared by dispersing Au@Fe2O3 core-shell structures on supports and their performance in CO oxidation. Catalysis Today2011160(1): 87–95

[61]

Zhuang ZSheng WYan Y. Synthesis of monodispere Au@Co3O4 core-shell nanocrystals and their enhanced catalytic activity for oxygen evolution reaction. Advanced Materials201426(23): 3950–3955

[62]

Lin MWang YSun XWang WChen L. “Elastic” property of mesoporous silica shell: For dynamic surface enhanced Raman scattering ability monitoring of growing noble metal nanostructures via a simplified spatially confined growth method. ACS Applied Materials & Interfaces20157(14): 7516–7525

[63]

Chung F CWu R JCheng F C. Fabrication of a Au@SnO2 core-shell structure for gaseous formaldehyde sensing at room temperature. Sensors and Actuators. B, Chemical2014190: 1–7

[64]

Wu R JLin D JYu M RChen M HLai H F. Ag@SnO2 core-shell material for use in fast-response ethanol sensor at room operating temperature. Sensors and Actuators. B, Chemical2013178: 185–191

[65]

Goebl JJoo J BDahl MYin Y. Synthesis of tailored Au@TiO2 core-shell nanoparticles for photocatalytic reforming of ethanol. Catalysis Today2014225: 90–95

[66]

Fang CJia HChang SRuan QWang PChen TWang J. (Gold core)/(titania shell) nanostructures for plasmon-enhanced photon harvesting and generation of reactive oxygen species. Energy & Environmental Science20147(10): 3431–3438

[67]

Bond G C. Gold: A relatively new catalyst. Catalysis Today200272(1): 5–9

[68]

Ge JZhang QZhang TYin Y. Core-satellite nanocomposite catalysts protected by a porous silica shell: Controllable reactivity, high stability, and magnetic recyclability. Angewandte Chemie2008120(46): 9056–9060

[69]

Poovarodom SBass J DHwang S JKatz A. Investigation of the core-shell interface in gold@silica nanoparticles: A silica imprinting approach. Langmuir200521(26): 12348–12356

[70]

Liz-Marzán L MGiersig MMulvaney P. Synthesis of nanosized gold-silica core-shell particles. Langmuir199612(18): 4329–4335

[71]

Zhang JLi LHuang XLi G. Fabrication of Ag-CeO2 core-shell nanospheres with enhanced catalytic performance due to strengthening of the interfacial interactions. Journal of Materials Chemistry201222(21): 10480–10487

[72]

Zhang NXu Y J. Aggregation-and leaching-resistant, reusable, and multifunctional Pd@CeO2 as a robust nanocatalyst achieved by a hollow core-shell strategy. Chemistry of Materials201325(9): 1979–1988

[73]

Tsuji MMatsuo RJiang PMiyamae NUeyama DNishio MHikino SKumagae HKamarudin K S NTang X L. Shape-dependent evolution of Au@Ag core-shell nanocrystals by PVP-assisted N,N-dimethylformamide reduction. Crystal Growth & Design20088(7): 2528–2536

[74]

Arnal P MComotti MSchüth F. High temperature stable catalysts by hollow sphere encapsulation. Angewandte Chemie2006118(48): 8404–8407

[75]

Qu YLiu FWei YGu CZhang LLiu Y. Forming ceria shell on Au-core by LSPR photothermal induced interface reaction. Applied Surface Science2015343: 207–211

[76]

Li BGu TMing TWang JWang PWang JYu J C. (Gold core)@(ceria shell) nanostructures for plasmon-enhanced catalytic reactions under visible light. ACS Nano20148(8): 8152–8162

[77]

Zhu ZChang J LWu R J. Fast ozone detection by using a core-shell Au@TiO2 sensor at room temperature. Sensors and Actuators. B, Chemical2015214: 56–62

[78]

Mitsudome TYamamoto MMaeno ZMizugaki TJitsukawa KKaneda K. One-step synthesis of core-gold/shell-ceria nano-material and its catalysis for highly selective semihydrogenation of alkynes. Journal of the American Chemical Society2015137(42): 13452–13455

[79]

Han LZhu CHu PDong S. One-pot synthesis of a Au@TiO2 core-shell nanocomposite and its catalytic property. RSC Advances20133(31): 12568–12570

[80]

Han LWei HTu BZhao D. A facile one-pot synthesis of uniform core-shell silver nanoparticle@ mesoporous silica nanospheres. Chemical Communications201147(30): 8536–8538

[81]

Jiang WZhou YZhang YXuan SGong X. Superparamagnetic Ag@Fe3O4 core-shell nanospheres: Fabrication, characterization and application as reusable nanocatalysts. Dalton Transactions (Cambridge, England)201241(15): 4594–4601

[82]

Chen LChang B KLu YYang WTatarchuk B J. Selective catalytic oxidation of CO for fuel cell application. Fuel Chemistry Division Preprints200247(2): 609–610

[83]

Hutchings G JHaruta M. A golden age of catalysis: A perspective. Applied Catalysis A, General2005291(1): 2–5

[84]

Kandoi SGokhale AGrabow LDumesic JMavrikakis M. Why Au and Cu are more selective than Pt for preferential oxidation of CO  at  low  temperature.  Catalysis  Letters 2004 93(1-2):  93–100

[85]

Güttel RPaul MGaleano CSchüth F. Au @ZrO2 yolk-shell catalysts for CO oxidation: Study of particle size effect by ex-post size control of Au cores. Journal of Catalysis2012289: 100–104

[86]

Bauer J CToops T JOyola YParks J E, II, Dai SOverbury S H. Catalytic activity and thermal stability of Au-CuO/SiO2 catalysts for the low temperature oxidation of CO in the presence of propylene and NO. Catalysis Today2014231: 15–21

[87]

Pachfule PKandambeth SDíaz D DBanerjee R. Highly stable covalent organic framework—Au nanoparticles hybrids for enhanced activity for nitrophenol reduction. Chemical Communications201450(24): 3169–3172

[88]

Du YChen HChen RXu N. Synthesis of p-aminophenol from p-nitrophenol over nano-sized nickel catalysts. Applied Catalysis A, General2004277(1): 259–264

[89]

Woo HPark K H. Hybrid Au nanoparticles on Fe3O4@ polymer as efficient catalyst for reduction of 4-nitrophenol. Catalysis Communications201446: 133–137

[90]

Kang HKim MPark K H. Effective immobilization of gold nanoparticles on core-shell thiol-functionalized GO coated TiO2 and their catalytic application in the reduction of 4-nitrophenol. Applied Catalysis A, General2015502: 239–245

[91]

Robinson ITung L DMaenosono SWälti CThanh N T. Synthesis of core-shell gold coated magnetic nanoparticles and their interaction with thiolated DNA. Nanoscale20102(12): 2624–2630

[92]

Chang Y CChen D H. Catalytic reduction of 4-nitrophenol by magnetically recoverable Au nanocatalyst. Journal of Hazardous Materials2009165(1): 664–669

[93]

Gupta V KAtar NYola M LÜstündağ ZUzun L. A novel magnetic Fe@Au core-shell nanoparticles anchored graphene oxide recyclable nanocatalyst for the reduction of nitrophenol compounds. Water Research201448: 210–217

[94]

Fan C MZhang L FWang S SWang D HLu L QXu A W. Novel CeO2 yolk-shell structures loaded with tiny Au nanoparticles for superior catalytic reduction of p-nitrophenol. Nanoscale20124(21): 6835–6840

[95]

Evangelista VAcosta BMiridonov SSmolentseva EFuentes SSimakov A. Highly active Au-CeO2@ZrO2 yolk-shell nanoreactors for the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol. Applied Catalysis B: Environmental2015166: 518–528

[96]

He BZhao QZeng ZWang XHan S. Effect of hydrothermal reaction time and calcination temperature on properties of Au@CeO2 core-shell catalyst for CO oxidation at low temperature. Journal of Materials Science201550(19): 6339–6348

[97]

Ke FZhu JQiu L GJiang X. Controlled synthesis of novel Au@MIL-100 (Fe) core-shell nanoparticles with enhanced catalytic performance. Chemical Communications201349(13): 1267–1269

[98]

Wang SZhang MZhang W. Yolk-shell catalyst of single Au nanoparticle encapsulated within hollow mesoporous silica microspheres. ACS Catalysis20111(3): 207–211

[99]

Mitsudome TMikami YMatoba MMizugaki TJitsukawa KKaneda K. Design of a silver-cerium dioxide core-shell nanocomposite catalyst for chemoselective reduction reactions. Angewandte Chemie International Edition201251(1): 136–139

[100]

Wunder SLu YAlbrecht MBallauff M. Catalytic activity of faceted gold nanoparticles studied by a model reaction: Evidence for substrate-induced surface restructuring. ACS Catalysis20111(8): 908–916

[101]

Hsu S CLiu S YWang H JHuang M H. Facet dependent surface plasmon resonance properties of Au-Cu2O core-shell nanocubes, octahedra,  and  rhombic  dodecahedra.  Small,  2015 11(2):  195–201

[102]

Rashid MMandal T K. Templateless synthesis of polygonal gold nanoparticles: An unsupported and reusable catalyst with superior activity.  Advanced Functional  Materials 2008 18(15):  2261–2271

[103]

Shi XJi YHou SLiu WZhang HWen TYan JSong MHu ZWu X. Plasmon enhancement effect in Au gold nanorods@Cu2O core-shell nanostructures and their use in probing defect states. Langmuir201531(4): 1537–1546

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

AI Summary AI Mindmap
PDF (1786KB)

6474

Accesses

0

Citation

Detail

Sections
Recommended

AI思维导图

/