We report that the addition of alkali ions (sodium or potassium) to gold on KLTL-zeolite and mesoporous MCM-41 silica stabilizes mononuclear gold in Au-O(OH)x-(Na or K) ensembles. This single-site gold species is active for the low-temperature (<200°C) water-gas shift (WGS) reaction. Unexpectedly, gold is thus similar to platinum in creating -O linkages with more than eight alkali ions and establishing an active site on various supports. The intrinsic activity of the single-site gold species is the same on irreducible supports as on reducible ceria, iron oxide, and titania supports, apparently all sharing a common, similarly structured gold active site. This finding paves the way for using earth-abundant supports to disperse and stabilize precious metal atoms with alkali additives for the WGS and potentially other fuel-processing reactions.

While it has long been known that different types of support oxides have different capabilities to anchor metals and thus tailor the catalytic behavior, it is not always clear whether the support is a mere carrier of the active metal site, itself not participating directly in the reaction pathway. We report that catalytically similar single-atom-centric Pt sites are formed by binding to sodium ions through −O ligands, the ensemble being equally effective on supports as diverse as TiO2, L-zeolites, and mesoporous silica MCM-41. Loading of 0.5 wt % Pt on all of these supports preserves the Pt in atomic dispersion as Pt(II), and the Pt–O(OH)x– species catalyzes the water-gas shift reaction from ∼120 to 400 °C. Since the effect of the support is "indirect," these findings pave the way for the use of a variety of earth-abundant supports as carriers of atomically dispersed platinum for applications in catalytic fuel-gas processing.

A better fundamental understanding of the plasma-catalyst interaction and the reaction mechanism is vital for optimizing the design of catalysts for ammonia synthesis by plasma-catalysis. In this work, we report on a hybrid plasma-enhanced catalytic process for the synthesis of ammonia directly from N2 and H2 over transition metal catalysts (M/Al2O3, M = Fe, Ni, Cu) at near room temperature (∼35 °C) and atmospheric pressure. Reactions were conducted in a specially designed coaxial dielectric barrier discharge (DBD) plasma reactor using water as a ground electrode, which could cool and maintain the reaction at near-room temperature. The transparency of the water electrode enabled operando optical diagnostics (intensified charge-coupled device (ICCD) imaging and optical emission spectroscopy) of the full plasma discharge area to be conducted without altering the operation of the reactor, as is often needed when using coaxial reactors with opaque ground electrodes. Compared to plasma synthesis of NH3 without a catalyst, plasma-catalysis significantly enhanced the NH3 synthesis rate and energy efficiency. The effect of different transition metal catalysts on the physical properties of the discharge is negligible, which suggests that the catalytic effects provided by the chemistry of the catalyst surface are dominant over the physical effects of the catalysts in the plasma-catalytic synthesis of ammonia. The highest NH3 synthesis rate of 471 μmol g-1 h-1 was achieved using Ni/Al2O3 as a catalyst with plasma, which is 100% higher than that obtained using plasma only. The presence of a transition metal (e.g., Ni) on the surface of Al2O3 provided a more uniform plasma discharge than Al2O3 or plasma only, and enhanced the mean electron energy. The mechanism of plasma-catalytic ammonia synthesis has been investigated through operando plasma diagnostics combined with comprehensive characterization of the catalysts using N2 physisorption measurements, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), NH3-temperature-programmed desorption (TPD), and N2-TPD. Four forms of adsorbed NH x (x = 0, 1, 2, and 3) species were detected on the surfaces of the spent catalysts using XPS. It was found that metal sites and weak acid sites could enhance the production of NH3 via formation of NH2 intermediates on the surface.

Producing both hydrogen and high-value carbon nanotubes (CNTs) derived from waste plastics is reported here using a pyrolysis-reforming technology comprising a two-stage reaction system, in the presence of steam and a Ni–Mn–Al catalyst. The waste plastics consisted of plastics from a motor oil container (MOC), commercial waste high density polyethylene (HDPE) and regranulated HDPE waste containing polyvinyl chloride (PVC). The results show that hydrogen can be produced from the pyrolysis-reforming process, but also carbon nanotubes are formed on the catalyst. However, the content of 0.3 wt.% polyvinyl chloride in the waste HDPE (HDPE/PVC) has been shown to poison the catalyst and significantly reduce the quantity and purity of CNTs. The presence of sulfur has shown less influence on the production of CNTs in terms of quantity and CNT morphologies. Around 94.4 mmol H2 g–1 plastic was obtained for the pyrolysis-reforming of HDPE waste in the presence of the Ni–Mn–Al catalyst and steam at a reforming temperature of 800 °C. The addition of steam in the process results in an increase of hydrogen production and reduction of carbon yield; in addition, the defects of CNTs, for example, edge dislocations were found to be increased with the introduction of steam (from Raman analysis).

Single-site catalysts (SSCs) have drawn considerable attention, because of their superior behaviors in catalysis. However, the origin of promoting the effect of a single site is not well understood. Here, we take the single-atom Ni1/Mg(100) and single-site Ni4/Mg(100) catalysts as a case study to elucidate their behaviors under the complex dry reforming of methane (DRM, CO2 + CH4→ 2CO + 2H2) reaction by combining theoretical modeling (density functional theory and kinetic Monte Carlo simulation) and experimental studies. The synergy between single Ni atom and MgO is found to improve the binding property of MgO; yet, it is not enough to dissociate CO2 and CH4. It can be achieved by the single-site Ni4/MgO(100) catalyst, enabling the formations of CO, H2, and H2O under the DRM conditions. During this process, coking, as observed for bulklike Ni particles, is eliminated. By confining the reaction to occur at the isolated Ni sites in the SSC, the Ni4/MgO(100) catalyst is able to balance the CO2 and CH4 activations, which is identified as the key for tuning the DRM activity and selectivity of Ni/MgO catalysts. The theory-identified promotion introduced by increasing the size of MgO-supported Ni clusters from Ni1 to Ni4 and the MgO-introduced site confinement of single-site catalysts are verified by corresponding experimental studies, highlighting the essential roles of confined sites in tuning the performance of SSCs during complex catalytic processes.

CO2 hydrogenation is a highly attractive chemical reaction that can reduce the concentration of atmospheric carbon dioxide greenhouse gas and replace it with cleaner and more economically valuable fuels and chemicals, such as carbon monoxide and methane. As Ru is a very extensively studied material for this reaction, the following review summarizes and analyzes the progress made in Ru-based nanocatalyst designs to efficiently generate CO and CH4 from CO2, based on particle active site structures, and the chosen support material affecting the metal–support interaction and overall catalyst structure. This includes how the material and mechanistic properties, through characterization techniques, affect the reaction progress including CO2 conversion and the product selectivity. This review also considers future possible research directions and the challenges associated with expanding such technologies into the industry.