WO2024131415A1 - Tammann temperature-guided synthesis of core@shell catalysts - Google Patents

Tammann temperature-guided synthesis of core@shell catalysts Download PDF

Info

Publication number
WO2024131415A1
WO2024131415A1 PCT/CN2023/132881 CN2023132881W WO2024131415A1 WO 2024131415 A1 WO2024131415 A1 WO 2024131415A1 CN 2023132881 W CN2023132881 W CN 2023132881W WO 2024131415 A1 WO2024131415 A1 WO 2024131415A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
encapsulating material
metal
temperature
baal
metal oxide
Prior art date
Application number
PCT/CN2023/132881
Other languages
French (fr)
Inventor
Molly Meng-Jung LI
Shu Ping Lau
Ye Zhu
Pei XIONG
Zhi hang XU
Original Assignee
The Hong Kong Polytechnic University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by The Hong Kong Polytechnic University filed Critical The Hong Kong Polytechnic University
Publication of WO2024131415A1 publication Critical patent/WO2024131415A1/en

Links

Definitions

  • the present disclosure generally relates to a method of preparing core@shell catalysts with improved stability.
  • Transition metal nanoparticles exhibit excellent activities for many important catalytic reactions, such as methane (CH 4 ) or ammonia (NH 3 ) conversions, yet stability drawbacks hinder their practical applications. This is because the highly active surface atoms are generally thermodynamically unstable, leading to severe NPs sintering via secondary nucleation, recrystallization, ripening, particle migration, and coalescence. To preserve the NPs’ stability, different approaches have been developed. Among them, the core@shell architecture offers advantageous structure by isolating the active nanoparticle cores with outer shells to prevent sintering during high-temperature catalytic reactions.
  • the most commonly used core@shell synthesis method is to physically confine the NPs in porous materials (e.g., silica, alumina, zeolites, etc. ) .
  • porous materials e.g., silica, alumina, zeolites, etc.
  • active site blockage by the inert supports is often observed, thereby diminishing the catalytic performance.
  • SMSI strong metal-support interactions
  • the reducible metal oxide substrates e.g., TiO 2 , V 2 O 3 , CeO 2 , and Ta 2 O 5
  • metal NPs surface typically platinum group metals like Pt, Pd, etc.
  • H 2 hydrogen
  • the screening data is generated using a computer.
  • the method further comprises selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide; the decomposition temperature of the first encapsulating material and the Tammann temperature of the first encapsulating material.
  • the first metal oxide comprises a metal selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, Sn, Pt, Ru, Pd, W, Ir, Os, Rh, Nb, Ta, Pb, Bi, Au, Ag, Sc, and Y.
  • the first metal oxide comprises a metal selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, Sn, Pt, Ru, Pd, W, Ir, Os, Rh, Nb, Ta, Pb, Bi, Au, Ag, Sc, and Y.
  • FIG. 2 Metal encapsulation and overlayer functionalization from one-step thermal treatment.
  • a Schematic illustration of the subsequent overlayer functionalization step following the thermal-induced SMSI encapsulation.
  • b Rapid computational screening of reaction enthalpy changes ( ⁇ H) for forming possible products from solid-state reactions between BaCO 3 , Al 2 O 3 and Co 3 O 4 in H 2 . ⁇ H were obtained from the Materials Project database. The lower the ⁇ H, the more stable the reaction product.
  • c STEM image and element distribution maps of Co@BaAl 2 O 4 .
  • d EXAFS fitting curves in R-space for the Co K-edge (upper panel) and Ba L 3 -edge (lower panel) of Co@BaAl 2 O 4 .
  • e Rietveld refinement of the SXRD pattern of Co@BaAl 2 O 4 .
  • Figure 5 Precursors preparation via co-precipitation synthesis method and thermal treatment. Schematic representation of the mM T : nM AE : 2nAl precursor synthesis procedure and subsequent thermal treatment process.
  • Figure 6 XRD measurement of air-sensitive samples. Air-tight XRD holder for air-sensitive samples.
  • FIG. 7 In-situ Raman setup.
  • Figure 8 In-situ STEM setup.
  • Figure 9 Schematic of the NH 3 decomposition performance testing setup.
  • FIG. 10 Determination of the decomposition temperature (T dec ) of M AE CO 3 .
  • MS signals during the H 2 temperature-programmed decomposition of (a) MgCO 3 , (b) CaCO 3 , (c) SrCO 3 , and (d) BaCO 3 .
  • the maximum of each decomposition profile is determined as the corresponding T dec (M AE CO 3 ) .
  • FIG. 11 Determination of the reduction temperature (T red ) of M T O x .
  • MS signals during the H 2 temperature-programmed reduction of (a) Fe 2 O 3 , (b) Co 3 O 4 , (c) NiO, and (d) CuO.
  • the temperature was kept at 800 °C for 3 hours (950 °C for Fe 2 O 3 ) .
  • the orange-shadow areas are the literature-reported H 2 temperature-programmed reduction temperature ranges, indicating that our measured values are all in reasonable ranges according to previous reports (Detailed reported data can be found in Fig. 37) .
  • the maximum of each reduction profile is determined as the corresponding T red (M T O x ) .
  • FIG. 12 Proof-of-concept demonstration by constructing Co@BaCO 3 encapsulation configuration. Structure and configuration identification of C (500) -R (500) -67Co: 33Ba: (a) XRD pattern, and (b) Co NP size distribution measured from low magnification TEM images.
  • Figure 13 High-throughput screening of the possible products from solid-state reactions. All (upper panel) and top 20 (lower panel) possible products and corresponding reaction enthalpy change ( ⁇ H) of the solid-state reactions between BaCO 3 + Al 2 O 3 + Co 3 O 4 +H 2 .
  • Figure 14 Construction of Co@BaAl 2 O 4 encapsulation configuration.
  • FIG. 15 Morphology and structural investigation of Co@BaAl 2 O 4 from TEM.
  • the dashed boxes denote the regions in which the fast Fourier transform (FFT) was performed.
  • Figure 16 Electronic properties and local structures of Co in Co@BaAl 2 O 4 .
  • FT Co K-edge Fourier transform
  • FIG. 17 Electronic properties and local structures of Ba in Co@BaAl 2 O 4 .
  • FT Fourier transform
  • Figure 18 Oxygen vacancies in the BaAl 2 O 4 overlayer of Co@BaAl 2 O 4 .
  • (b) EPR spectra of BaAl 2 O 4 which shows a signal with the splitting factor values (g) of 1.9806, corresponding to oxygen vacancies with a single trapped electron (V O + ) .
  • DFT density functional theory
  • Figure 19 Necessity of low-T Tam M AE CO 3 as the facilitator.
  • Figure 20 Elemental composition analyses during the synthesis process.
  • the atomic ratio of Co, Ba, and Al remains unchanged at about 2: 1: 2 in each step during the whole synthesis process without significant loss, which is consistent with the original precursor metal composition.
  • Figure 21 Morphology evolution during the synthesis process. TEM images of the samples at different stages of the synthesis process (i.e., as-precipitated, as-calcined, and thermally treated in H 2 ) .
  • Figure 22 Morphology of mix-metal precursor before H 2 thermal treatment.
  • Figure 23 Real-time observation of the element distribution evolution by in-situ STEM-EDX.
  • EDX mapping in the same area of (a) the as-calcined precursor C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, (b) the specimen after 500 °C in-situ reduction for 30 min, and (c) the specimen after 800 °C in-situ reduction for 30 min. (d) EELS mapping and corresponding selected area electron diffraction (SAED) pattern of the specimen after 800 °C in-situ reduction for 30 min.
  • SAED selected area electron diffraction
  • Figure 25 The reliability of NH 3 decomposition performance testing equipment and the accuracy of product composition analyses.
  • (a) NH 3 conversions comparison between reported benchmark catalysts and our verification experiment results.
  • (b) NH 3 conversions obtained from MS analyses and titration analyses.
  • FIG. 26 Catalytic performances on NH 3 decomposition of Co@BaAl 2 O 4 catalysts. NH 3 decomposition conversion and H 2 production rate over Co@BaAl 2 O 4 catalysts as a function of reaction temperature. The performance was evaluated at weight hourly space velocity (WHSV) of 30,000 mL g cat -1 h -1 and 1 atm.
  • WHSV weight hourly space velocity
  • Co@BaAl 2 O 4 represents one of the most effective catalysts in both non-noble and noble catalysts records. Comparison of NH 3 conversion between the Co@BaAl 2 O 4 (red balls) and the reported Ru-based and non-noble metal-based catalysts. The sizes of the balls represent the value of WHSV. The larger the ball diameter, the higher the WHSV. Detailed data can be found in Fig. 47.
  • Figure 28 S24 Sintering of non-encapsulation structure in harsh thermal environments: Co/BaAl 2 O 4 -coprecipitation sample. Structure and configuration identification of Co/BaAl 2 O 4 -coprecipitation (see Fig. 21 for synthesis details) before (blue) and after (green) 80-hour NH 3 decomposition reaction: (a) XRD patterns before and after the reaction. (b-c) TEM images before the reaction. (d) Co NP size distribution before the reaction measured from low magnification TEM. (e-f) TEM images after the reaction. (g) Co NP size distribution after the reaction measured from low magnification TEM images.
  • Figure 29 Sintering of non-encapsulation structure in harsh thermal environments: Co/Al 2 O 3 sample. Structure and configuration identification of Co/Al 2 O 3 before and after 80-hour NH 3 decomposition reaction: (a) XRD patterns before and after the reaction. (b-c) TEM images before the reaction. (d) Co NP size distribution before the reaction measured from low magnification TEM. (e-f) TEM images after the reaction. (g) Co NP size distribution after the reaction measured from low magnification TEM images.
  • the Co/Al 2 O 3 was synthesised by the following steps: (i) co-precipitation of Co (NO 3 ) 2 and Al (NO 3 ) 3 with the molar ratio of 2: 3, i.e., 40Co: 60Al; (ii) air calcination at 500 °C, i.e., C (500) -40Co: 60Al; (iii) H 2 thermal treatment at 500 °C, i.e., C (500) -R (500) -40Co: 60Al.
  • Figure 30 Structural stability of Co@BaAl 2 O 4 with encapsulation structure in harsh thermal environments.
  • (a) XRD pattern of Co@BaAl 2 O 4 catalysts before (blue) and after 80-hour NH 3 decomposition reaction (b) Co3p XPS spectra of Co@BaAl 2 O 4 catalysts before and after 80-hour NH 3 decomposition reaction, blank circles represent experimental XPS data, and solid lines are the convolution of Gaussians and Lorentzians
  • Figure 31 Excellent environment tolerance and reusability for practical application. NH 3 conversion during the five-month-long testing events, including temperature fluctuations, system ONs/OFFs, and catalyst offload/reload.
  • Figure 32 Good stability of Co@BaAl 2 O 4 with encapsulation structure in CH 4 dry-reforming reaction.
  • CH 4 conversion, CO 2 conversion, H 2 selectivity and H 2 /CO ratio in different time-on-stream during the CH 4 dry-reforming reaction over the Co@BaAl 2 O 4 catalyst.
  • the performance was evaluated at WHSV of 31, 765 mL g cat -1 h -1 and a temperature of 750 °C.
  • the molar ratio of CH 4 : CO 2 : Ar in inlet gas is 0.45: 0.45: 0.10.
  • the dotted lines indicate the thermodynamic equilibrium of CH 4 and CO 2 conversions.
  • Figure 33 Ni@BaAl 2 O 4 core@shell synthesis.
  • Figure 34 Cu@MgAl 2 O 4 core@shell synthesis.
  • FIG. 35 Co@BaTiO 3 core@shell synthesis.
  • Tammann temperature is an absolute temperature at which atoms in the crystal lattice of a solid bulk material become ‘loosened’ and, therefore, more reactive or susceptible to diffusion by other molecules. T Tam is reported as approximately half of a compound’s absolute melting point (T melt ) .
  • Figure 45 The atomic ratio of Co, Ba, and Al elements in 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al measured by SEM-EDX.
  • Figure 47 Selected catalysts from literature with high NH 3 decomposition performances (NH 3 conversion ⁇ 95%) at 1 atm and high WHSV (> 15,000 mL g cat -1 h -1 ) .
  • Figure 53 Reported catalysts used for CH 4 dry-reforming and their catalytic performances at corresponding conditions.
  • Patent law e.g., they can mean “includes” , “included” , “including” , and the like; and that terms such as “consisting essentially of” and “consists essentially of” have the meaning ascribed to them in U.S. Patent law, e.g., they allow for elements not explicitly recited, but exclude elements that are found in the prior art or that affect a basic or novel characteristic of the present invention.
  • the present disclosure provides a method of preparing core-shell nanoparticles, the method comprising: contacting a mixture comprising a first metal oxide, a first encapsulating material comprising an alkali metal or an alkaline earth metal, and a second encapsulating material comprising a second metal oxide with hydrogen gas at a temperature higher than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide and lower than the decomposition temperature of the first encapsulating material resulting in the reduction the first metal oxide and the formation of metal nanoparticles that are at least partially encapsulated with a bimetallic oxide comprising the alkali metal or the alkaline earth metal and the second metal oxide thereby forming the core-shell nanoparticles, wherein the Tammann temperature of the first encapsulating material is lower than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide.
  • the first metal oxide can comprise a metal selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, Sn, Pt, Ru, Pd, W, Ir, Os, Rh, Nb, Ta, Pb, Bi, Au, Ag, Sc, and Y.
  • the oxidation state of the metal can be 1+, 2+, 3+, 4+, 5+, or 6+.
  • the metal oxide comprises V 2+ , V 3+ , V 4+ , V 5+ , Cr 2+ , Cr 3+ , Cr 6+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Co 3+ , Ni 2+ , Ni 3+ , Cu 1+ , Cu 2+ , Zn 1+ , Mo 2+ , Mo 3+ , Mo 4+ , Mo 5+ , Mo 6+ , Se 2+ , Se 4+ , Sn 2+ , Sn 4+ , Pt 2+ , Pt 4+ , Ru 2+ , Ru 3+ , Ru 4+ , Ru 5+ , Ru 6+ , Pd 2+ , Pd 4+ , W 2+ , W 3+ , W 4+ , W 5+ , W 6+ , Ir 1+ , Ir 3+ , Os 3+ , Os 4+ , Os 5+ , Os 6+ , Rh 1+ , Rh 3+
  • Exemplary metal oxides include, but are not limited to, CoO 3 , Co 3 O 4 , CoO, CuO, Cu 2 O, NiO, Ni 2 O 3 , Ag 2 O, AgO, FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , ZnO, PdO, PdO 2 , PtO, and PtO 2 .
  • the alkali metal can be lithium, sodium, potassium, rubidium, or caesium.
  • the alkaline earth metal can be beryllium, magnesium, calcium, strontium, or barium.
  • the first encapsulating material can comprise an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt.
  • the alkali metal salt or an alkaline earth metal salt comprises one or more anions selected from the group consisting of carbonate, sulfate, nitrate, and chloride.
  • Exemplary alkali metal salt or an alkaline earth metal salts include, but are not limited to, NaCl, KCl, RbCl, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , Rb 2 CO 3 , CaCO 3 , MgCO 3 , SrCO 3 , and BaCO 3 .
  • the first encapsulating material can be any alkali metal salt or alkaline earth metal salt with a Tammann temperature lower than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide and a decomposition temperature higher than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide.
  • the Tammann temperature and the of the first encapsulating material can be readily determined based on the melting point of the first encapsulating material.
  • the decomposition temperature of the first encapsulating material can be determined experimentally by identifying the temperature that the first encapsulating material begins to decompose under the reaction conditions that the mixture and hydrogen are contacted.
  • the second encapsulating agent can comprise a second metal oxide selected from the group consisting of Al 2 O 3 , TiO 2 , silica, Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , ZrO 2 , and mixtures thereof.
  • the first encapsulating material and the second encapsulating material can undergo a solid-state reaction at temperatures above the Tammann temperature of the first encapsulating material whereby a bimetallic oxide forms, which at least partially encapsulates the metal nanoparticle, wherein the bimetallic oxide comprises the alkali metal or the alkaline earth metal and the second metal oxide.
  • the bimetallic oxide partially encompasses a plurality of metal nanoparticles, e.g., 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, or more metal nanoparticles.
  • the composition of the bimetallic oxide shell will vary based on the selection of the first encapsulating material and the second encapsulating material.
  • the bimetallic oxide is MgAl 2 O 4 , CaAl 2 O 4 , SrAl 2 O 4 , BaAl 2 O 4 , MgTiO 3 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , MgGa 2 O 4 , CaGa 2 O 4 , SrGa 2 O 4 , BaGa 2 O 4 , MgIn 2 O 4 , CaIn 2 O 4 , SrIn 2 O 4 , BaIn 2 O 4 , MgZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , or BaZrO 3 .
  • the metal nanoparticles comprise V 0 , Cr 0 , Mn 0 , Fe 0 , Co 0 , Ni 0 , Cu 0 , Zn 0 , Mo 0 , Se 0 , Sn 0 , Pt 0 , Ru 0 , Pd 0 , W 0 , Ir 0 , Os 0 , Rh 0 , Nb 0 , Ta 0 , Pb 0 , Bi 0 , Au 0 , Ag 0 , Sc 0 , or Y 0 .
  • the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide is the temperature required to reduce at least a portion of the first metal oxide thereby forming zero-valent metal nanoparticles under the reaction conditions that the mixture and hydrogen gas are contacted.
  • the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide can be experimentally determined by a person of ordinary skill in the art based on well-known experimental techniques. In certain embodiments, reduction of the first metal oxide yields a mixture of reduction products including, partially reduced metal species.
  • the core can comprise at least 5%wt/wt, at least 10%wt/wt, at least 20%wt/wt, at least 30%wt/wt, at least 40%wt/wt, at least 50%wt/wt, at least 60%wt/wt, at least 70%wt/wt, at least 80%wt/wt, at least 90%wt/wt, at least 95%wt/wt, at least 97%wt/wt, at least 98%wt/wt, at least 99%wt/wt, or at least 99.9%wt/wt of zero-valent metal relative to the total weight of vero-valent metal, partial first metal oxide reduction products, and unreacted first metal oxide.
  • the core comprises between 5-99.9%wt/wt, 10-99.9%wt/wt, 20-99.9%wt/wt, 30-99.9%wt/wt, 40-99.9%wt/wt, 50-99.9%wt/wt, 60-99.9%wt/wt, 70-99.9%wt/wt, 80-99.9%wt/wt, 90-99.9%wt/wt, 95-99.9%wt/wt, 30-99%wt/wt, 30-90%wt/wt, 30-80%wt/wt, 30-70%wt/wt, 30-60%wt/wt, 40-60%wt/wt, or 40-50%wt/wt of zero-valent metal relative to the total weight of vero-valent metal, partial first metal oxide reduction products, and unreacted first metal oxide.
  • the core-shell nanoparticles prepared in accordance with the methods described herein can comprise one or more cores and a shell at least partially encompassing the one or more cores.
  • the core-shell nanoparticles comprise one or more cores comprising V 0 , Cr 0 , Mn 0 , Fe 0 , Co 0 , Ni 0 , Cu 0 , Zn 0 , Mo 0 , Se 0 , Sn 0 , Pt 0 , Ru 0 , Pd 0 , W 0 , Ir 0 , Os 0 , Rh 0 , Nb 0 , Ta 0 , Pb 0 , Bi 0 , Au 0 , Ag 0 , Sc 0 , or Y 0 ; and a shell comprising MgAl 2 O 4 , CaAl 2 O 4 , SrAl 2 O 4 , BaAl 2 O 4 , MgTiO 3 , CaTiO
  • Exemplary core-shell nanoparticles include, but are not limited to Co@BaAl 2 O 4 , Cu@BaAl 2 O 4 , Ni@BaAl 2 O 4 , Co@BaTiO 3, Fe@MgGa 2 O 4 , Co@MgGa 2 O 4 , and Ni@BaZrO 3 .
  • the selection of the first encapsulating material is based on the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide; the decomposition temperature of the first encapsulating material and the Tammann temperature of the first encapsulating material. More particularly, for a given first metal oxide, suitable first encapsulating materials can have a Tammann temperature below the hydrogen reduction temperature of the given first metal oxide and a decomposition temperature higher than the given first metal oxide.
  • the selection of suitable first encapsulating materials for a given first metal oxide is determined by screening a list comprising Tammann temperatures of candidate first encapsulating agents and decomposition temperatures of candidate first encapsulating agents against a given first metal oxide’s hydrogen reduction temperature thereby identifying suitable first encapsulating materials from the list having a Tammann temperature below the hydrogen reduction temperature of the given first metal oxide and a decomposition temperature higher than the given first metal oxide. Screening can be conducted manually, e.g., by reference to tables or lists, or can be conducted using a computer.
  • the Tammann temperature of the first encapsulating material, the decomposition temperature of the first encapsulating material, and the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide can be determined experimentally and/or by reference to literature values.
  • the selection of the fist encapsulating material and the second encapsulating material can be based on data collected from screening changes in enthalpy of potential reaction products of the reaction of a candidate first metal oxide, a candidate first encapsulating material, a candidate second encapsulating material, and hydrogen gas in view of the decomposition temperature of the candidate first encapsulating material.
  • Enthalpically favorable reactions that yield bimetallic oxides at reaction temperatures below the decomposition temperature of the candidate first encapsulating material can be selected, which determines the choice of the first encapsulating material and the second encapsulating material. This process is illustrated in Fig.
  • reaction enthalpy change ( ⁇ H)
  • BaAl 2 O 4 is selected, because the reaction temperature required for its production is lower than the decomposition temperature of BaCO 3 .
  • the step of screening changes in enthalpy of potential reaction products is conducted using the Materials Project database in a computer.
  • the reaction enthalpy change ( ⁇ H) of forming different products from the solid-state reactions between BaCO 3 and Al 2 O 3 , with Co 3 O 4 and H 2 coexisting in the system were theoretically examined by the reaction calculator module in Materials Project.
  • a mix-metal precursor containing BaCO 3 , Al 2 O 3 , and Co 3 O 4 was obtained after calcination in the air. Therefore, the reactants were set as BaCO 3 + Al 2 O 3 + Co 3 O 4 + H 2 (because the solid-state reaction is under an H 2 atmosphere) , while setting the possible products as all compounds containing Ba element and any one or more of Co, Al, C, O, and H.
  • the reaction calculator module the reaction enthalpy change ( ⁇ H) for obtaining each of the above 53 possible products was queried and sorted, as shown in Fig. 13.
  • the stability of the corresponding products is evaluated by comparing the value of ⁇ H. The lower the ⁇ H, the more stable the product.
  • Fig. 13 indicates the most stable three products are Ba 7 Al 64 O 103 , BaAl 4 O 7 , and BaAl 2 O 4 . Given that the high reported synthesis temperatures of BaAl 4 O 7 (c. a.
  • STEM and energy dispersive X-ray (EDX) mapping clearly visualize the encapsulation structures of Ni@BaAl 2 O 4 , Cu@MgAl 2 O 4 , and Co@BaTiO 3 , respectively, with the well-rounded alkali metal aluminates or an alkaline earth metal aluminates overlayer in close contact with the M T NPs (Fig. 4e) .
  • the encapsulated M T NPs show relatively uniform size distributions in the range of 4-8, 20-30, and 24-40 nm, for Ni, Cu, and Co, respectively, in line with the crystal size derived from XRD results (Figs. 33c, 34c, 35c, and 54) .
  • the average size of the thus produced core-shell nanoparticles can range from 1-500 nm, 1-400 nm, 1-300 nm, 1-200 nm, 1-100 nm, 1-90 nm, 1-80 nm, 1-70 nm, 1-60 nm, 1-50 nm, 1-40 nm, 1-30 nm, 1-30 nm, 1-20 nm, 5-20 nm, 10-20 nm, 10-15 nm, 10-40 nm, 20-40 nm, 20-30 nm, or 1-10 nm.
  • the core-shell nanoparticles have an average size of about 10 to about 15 nm, about 4 to about 8, about 20 to about 30, and about 24 to about 40 nm.
  • the reaction of the first metal oxide, the first encapsulating material, and the second encapsulating material with hydrogen gas can be conducted autogenic pressure, i.e., pressure generated as a result of heating in a closed system.
  • the pressure can be applied externally, e.g., by mechanical means.
  • the step of heating the reaction solution is conducted at a pressure of 0.1 to 10 MPa or 0.1 to 1 MPa.
  • the most suitable overlayer aluminate composition was idenfitied to be BaAl 2 O 4 , and the more stable BaAl 4 O 7 and Ba 7 Al 64 O 103 were rejected, because they require harsh synthesis conditions (> 1100 °C) .
  • the Co@BaAl 2 O 4 synthesis process is further investigated to explore the encapsulation formation pathway and mechanism.
  • the elemental composition analyses indicate a similar atomic ratio of Co, Ba, and Al at c. a. 2: 1: 2 at different stages of the synthesis process (i.e., as-precipitated, as-calcined, and thermally treated in H 2 , Fig. 20 and Fig. 45) .
  • Yet distinct morphologies are revealed by TEM, where the encapsulation is only formed after the thermal treatment in H 2 (Fig. 21) .
  • Direct real-time visualization of the encapsulation process during the H 2 thermal treatment is then conducted using in-situ atmospheric STEM equipped with an environmental cell (see Fig. 8 for experiment setup and details) .
  • the calcined precursor is initially a mixture of plate-like Co 3 O 4 and rod-like Al 2 O 3 NPs in contact with much larger bulk of BaCO 3 (Fig. 22) .
  • STEM image indicates a clear boundary between the dark Co 3 O 4 -Al 2 O 3 mixture and the bright BaCO 3 bulk particle (Fig. 3a) .
  • the temperature is ramped to above 400 °C (Fig.
  • the Co NPs are surrounded by highly mobile or liquified BaCO 3 , forming the initial encapsulation.
  • BaCO 3 decomposition at the expense of the Al 2 O 3 rods in proximity, implying the solid-state formation of the functional BaAl 2 O 4 overlayer (Fig. 3d, Fig. 23c) , as confirmed by selected area electron diffraction (SAED) (Fig. 23d) .
  • SAED selected area electron diffraction
  • the high-resolution TEM image shown in Fig. 22c demonstrates that Al 2 O 3 is in rod-like morphology and Co 3 O 4 is in plate-like morphology, whose (220) lattice fringes are marked in Fig. 22d.
  • Fig. 16 shows the XANES features of the samples at different stages of the synthesis process (i.e., as-precipitated, as-calcined, and thermally treated in H 2 ) .
  • the C (500) -40Co: 20Ba: 40Al shows a much higher white-line (WL) intensity compared to standard Co foil.
  • the XANES profile for C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al shifts to lower energy compared to C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, becoming similar to the Co foil standard.
  • 16b shows the Fourier transforms (FT) magnitude of the Co K-edge EXAFS for the samples at different stages of the synthesis process, along with the Co foil for comparison purpose.
  • the FT magnitude peak at attributing to Co-Co only exists in C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al while being absent in 40Co: 20Ba: 40Al and C (500) -40Co: 20Ba: 40Al.
  • the EXAFS spectrum of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al can be well-fitted using only the Co-Co path, proving the sole existence of metallic Co for Co species after H 2 thermal treatment (Fig. 16d and 40) .
  • Fig. 17a shows the Ba L 3 -edge XANES spectra of 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. It can be observed that the edge positions remain unchanged between the three samples, indicating the Ba valence does not change much after air calcination and H 2 thermal treatment.
  • the Ba L 3 -edge XANES spectrum of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al shows a distinctive peak between 5250 and 5285 eV (Fig. 17a) , in line with the reported XANES features of BaAl 2 O 4 structure.
  • XRD and in-situ Raman spectroscopy equipped with online MS are also employed to supplement the real-time phase evolution and the solid-state reactions.
  • typical XRD patterns of BaCO 3 and Co 3 O 4 are recorded (Fig. 3f) , with the absence of Al 2 O 3 fingerprint peaks, presumably overwhelmed by the signals of Co 3 O 4 or the nano crystallinity of gamma phase Al 2 O 3 (Fig. 22d) .
  • the characteristic peaks of Co 3 O 4 at 31.27° and 36.84° fade with the simultaneous appearance of two new peaks at 44.22° and 51.52°, which can be assigned to the fcc Co.
  • the characteristic diffraction signal of BaCO 3 is replaced by that of BaAl 2 O 4 , indicating the completion of the solid-state reaction between BaCO 3 and Al 2 O 3 .
  • in-situ Raman spectroscopy reveals the gradual disappearance of Co 3 O 4 fingerprints around ⁇ 490, ⁇ 525, ⁇ 610, and ⁇ 690 cm -1 before 400 °C, and the replacement of BaCO 3 fingerprints around ⁇ 139, ⁇ 698, and ⁇ 1060 cm -1 by those of BaAl 2 O 4 around ⁇ 193, ⁇ 271, ⁇ 491, ⁇ 581, and ⁇ 680 cm -1 at 700 °C (Fig. 3g) .
  • the encapsulated nanocatalyst enables excellent catalytic performance
  • the encapsulated Co@BaAl 2 O 4 also represents one of the most effective catalysts in both Ru-based and non-noble catalysts records (Fig. 27 and Fig. 47) .
  • Co@BaAl 2 O 4 demonstrates promising outcomes in the CH 4 dry-reforming reaction, which typically requires even higher temperatures (> 750 °C) .
  • Co@BaAl 2 O 4 achieves the CH 4 and CO 2 conversion rates of 81.8%and 90.1%, respectively, nearing the thermodynamic equilibrium value and sustaining the performance for over 60 hours.
  • the high efficiency and excellent stability identify Co@BaAl 2 O 4 as a promising catalyst for the CH 4 dry-reforming reaction.
  • Barium nitrate (Ba (NO 3 ) 2 , 99.0%) and aluminium nitrate nonahydrate (Al (NO 3 ) 3 ⁇ 9H 2 O, 99.0%) were purchased from Sigma-Aldrich.
  • Nano iron oxide (Fe 2 O 3 , 99.0%) , nano cobalt oxide (Co 3 O 4 , 99.0%) , nano nickel oxide (NiO, 99%) and nano copper oxide (CuO, 99%) were purchased from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. All chemicals with analytical-grade purity were used directly without further treatment unless otherwise noted. All solutions were prepared with deionized (DI) water.
  • DI deionized
  • Anhydrous grade ammonia (NH3, ⁇ 99.99%) and H 2 /Ar (v/v, 5/95) were purchased from Scientific Gas Engineering Co., Ltd.
  • the precursor mixture, mMT: nMAE: 2nAl, was synthesized by an automatic pH controlled co-precipitation method.
  • an aqueous solution that contained M T m+ , M AE 2+ and Al 3+ with target molar ratios was prepared by dissolving the corresponding metal nitrates in aqueous solution.
  • a stirred tank reactor Capacity of 500 mL-2L
  • a 0.5 M NaCO 3 solution under feeding rates of 0.1-2.0 mL min -1 regulated by a syringe pump.
  • the mixture was stirred vigorously to ensure efficient mixing, while the pH of the precipitating solution was carefully maintained at a constant by dropwise addition of a 4.0 M NaOH solution using another syringe pump.
  • the pH of the solution is maintained lower than the precipitation pKsp of M AE (OH) 2 , thereby favoring theformation of M AE CO 3 rather than M AE (OH) 2 precipitates.
  • the pKsp of Ba (OH) 2 is 12.9 and Mg (OH) 2 is 10.10.
  • the obtained wet cake solid sample was re-dispersed in 200 mL acetone and stirred at room temperature for 2 h. Then, the resultant solid was vacuum filtered, washed thoroughly with acetone and dried overnight in a vacuum oven at room temperature.
  • the precursors were named by their nominal mixed-metal ratios, denoted as mM T : nM AE : 2nAl, wherein m and n represent the nominal molar ratios of M T and M AE in the co-precipitation process, respectively.
  • mM T : nM AE 2nAl
  • the temperature was raised from 25 to 50 °C with a ramp rate of 5 °C min -1 , then held at 50 °C for 30 min.
  • the Ar pretreatment cleaned the catalyst surface by removing adsorbed ambient gas molecules.
  • H 2 /Ar (5/95, v/v) gas flowed through the quartz tube with the flow rate of 10 mL min -1 , and the temperature was raised from 25 to 800 °C (950 °C for BaCO 3 ) with a ramp rate of 5 °C min -1 .
  • M T O x , M T Fe, Co, Ni, Cu
  • M T Fe, Co, Ni, Cu
  • a tube furnace GSL-1100X, Kejing
  • a quadrupole MS HPR-20 EGA, Hiden
  • the quartz tube was inserted into the tube furnace for Ar pretreatment, with the Ar flow rate of 10 mL min -1 .
  • the temperature was raised from 25 to 50 °C with a ramp rate of 5 °C min -1 , then held at 50 °C for 30 min.
  • the Ar pretreatment cleaned the catalyst surface by removing adsorbed ambient gas molecules.
  • H 2 /Ar (5/95, v/v) gas flowed through the quartz tube with the flow rate of 10 mL min -1 , and the temperature was raised from 25 to 800 °C (950 °C for Fe 2 O 3 ) with a ramp rate of 5 °C min -1 .
  • M T O x was reduced to M T NPs, with H 2 O produced during the heating treatment.
  • Reaction energies for forming different alkali metal aluminates or alkaline earth metal aluminates (M AE Al 2 O 4 ) from M AE CO 3 and Al 2 O 3 were estimated using the reaction calculator module in the Materials Project. Details can be found in the descriptions of Fig. 13.
  • X-ray diffraction Phases and crystallographic structures of mentioned samples were characterised by powder X-ray diffraction (XRD) using a parallel-beam XRD instrument (Rigaku SmartLab 9kW -Advance, with Cu K ⁇ of wavelength ) .
  • XRD powder X-ray diffraction
  • the samples were protected in the reaction tube with both ends sealed using closed ball valves, and were directly transferred into the inert gas glove box.
  • the samples were taken from the reaction tube and loaded into a quartz holder, which was then covered by Kapton film (Fig. 6) .
  • Kapton film Fig. 6
  • this air-tight XRD holder the air-sensitive samples were kept isolated from the air and can be directly measured by the XRD facility.
  • the diffraction patterns were analysed by Rietveld refinement methods based on TOPAS (V6) to obtain structural details.
  • the Thompson-Cox-Hastings pseudo-Voigt peak function was applied to describe the diffraction peaks.
  • the scale factor and lattice parameters were allowed to refine for all the diffraction patterns.
  • the quality of the Rietveld refinements of synchrotron data has been assured with a low goodness-of-fit (GoF) factor, a low weighted profile factor (Rwp) and a well-fitted pattern with an acceptable temperature factor (Beq) within experimental errors.
  • GoF goodness-of-fit
  • Rwp low weighted profile factor
  • Beq acceptable temperature factor
  • TEM Transmission electron microscopy
  • STEM scanning transmission electron microscopy
  • HAADF high angle annular dark field
  • TEM transmission electron microscopy
  • EDX super-X energy-dispersive X-ray spectroscopy
  • JEM-2100F JEM-2100F, JEOL, Japan
  • Gatan Industriesa electron spectrometer USA
  • the samples were protected in the reaction tube with both ends sealed using closed ball valves and were directly transferred into the inert gas glove box, where the samples can be extracted from the reaction tube and dispersed in ethanol solution for further deposition onto copper grids.
  • SEM-EDX Scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray analyses
  • Electron paramagnetic resonance (EPR) analyses was performed by a Bruker EMX Plus spectrometer equipped with a dual-mode cavity (ER 4116DM) .
  • the microwave frequency and power were 9.83 GHz and 3.17 mW, respectively.
  • the weight of the sample was 50.0 mg.
  • X-ray absorption fine structure (XAFS) X-ray absorption fine structure (XAFS) measurements were performed in fluorescence mode using a Lytel detector at beamline BL01C of Taiwan Light Source, National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) .
  • a Si (111) double crystal monochromator (DCM) was used to scan the photon energy.
  • DCM double crystal monochromator
  • XANES X-ray absorption near edge structure
  • Quantitative information on the radial distribution of neighbouring atoms surrounding Co and Ba atoms was derived from the extended absorption fine structure (EXAFS) data.
  • X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) experiments were carried out using a Thermo Scientific Nexsa instrument.
  • the instrument was equipped with an electron flood and scanning ion gun.
  • the adventitious carbonaceous C1 s line (284.8 eV) was used to calibrate the binding energy (BE) .
  • the XPS spectra were deconvoluted using Gaussian-Lorentzian functions after the Shirley background subtraction, with the integrated peak areas being used to estimate the surface chemical compositions.
  • In-situ Raman Spectroscopy During a typical in-situ Raman measurement, c. a. 5 mg samples were loaded into the in-situ Raman cell, with H 2 /Ar (5/95, v/v) passing through the samples. A series of Raman spectra were obtained at different temperatures, from room temperature to 700 °C with an interval of 50 °C, to investigate the phase transformation during the H 2 thermal treatment process. Each temperature was set dwelling for 40 min, and the spectra were collected at the 30 th min to get a steady state. In-situ Raman spectra were recorded on a WITEC confocal microscopy system with a laser diode at 532 nm.
  • In-situ STEM Direct visualisation of the encapsulation process of Co@BaAl 2 O 4 was achieved using the in-situ atmospheric STEM study (JEOL JEM-2100F) .
  • a Protochips atmosphere gas holder was applied (Fig. 8a) , in which the flowing gas can be injected, and the temperature can be controlled.
  • 380 Torr H 2 /N 2 (5/5, v/v) with 0.1 mL/min flow rate were used, and the temperature was set from 25 to 800 °C.
  • the effect of the electron beam was carefully evaluated by comparing the sample state in the observation region with that out of the observation region.
  • the initial precursor, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al was firstly prepared on the bottom cell and characterised by STEM and EDX before heating the in-situ cell.
  • the bottom cell was then assembled in the in-situ holder, followed by injecting an H 2 /N 2 mixture gas into it.
  • the temperature was gradually increased to 300, 400, 500, 600, 700, and 800 °C at a rate of 20 °C/min. Each target temperature was kept for 30 min for a thorough reaction.
  • Fig. 8 shows the in-situ STEM setup.
  • the introduction of gas into the vacuum environment of the TEM is made possible by injecting and sealing the gas in the space between two windowed silicon slabs (the E-chips product from Protochips, shown in Fig. 8b) .
  • the windowed slabs have notches near their centres and are covered with amorphous silicon nitride thin films of thickness 80 nm that serve as windows.
  • Fig. 9 is the schematic of the NH 3 decomposition performance testing setup.
  • a quartz tube diameter of 4.5 mm
  • c. a. 50 mg sieved (45-80 mesh) sample was sandwiched between two layers of quartz wool with a thermocouple placed in contact with the sample.
  • high-purity NH 3 ⁇ 99.99%) was passed through the catalyst bed with the flow rate controlled by a mass flow controller.
  • the weight hourly space velocity (WHSV) was set as 30,000 mL g cat -1 h - 1 at atmospheric pressure.
  • [NH 3 ] inlet and [NH 3 ] outlet refer to the measured concentrations of NH 3 fed into and flowing out of the reactor.
  • the H 2 production rate with the unit of mmol H 2 g cat -1 min -1 , was calculated from the NH 3 conversion (X NH3 ) by the Eq. 2 below:
  • WHSV weight hourly space velocity (30,000 mL g cat -1 h -1 )
  • X NH3 is the conversion of NH 3
  • V m is the molar volume of gas at 25 °C and 1 atm (24 mL mmol -1 ) .
  • Catalytic methane (CH 4 ) dry reforming activity testing was performed under atmospheric pressure in a fixed-bed quartz reactor (5 mm inner diameter) . Before each reaction, 100 mg of catalyst was placed in the reactor tube between quartz wool plugs and reduced in situ at 700 °C under flowing H 2 /Ar (5/95, v/v, 60 mL min -1 ) for 2.5 h. Dry reforming of CH 4 was then undertaken at 750 °C using a mixture of CO 2 /CH 4 in Ar (45/45/10, v/v/v, 53 mL min - 1 total flow rate) to generate a weight hourly space velocity (WHSV) of 31, 765 mL g cat -1 h -1 . Reactant and product concentrations were analysed online by a MS (QGA, Hiden) equipped with a quadrupole probe and a secondary electron multiplier detector. CH 4 and CO 2 conversions were calculated respectively according to the following Eqs. 3 and 4:

Landscapes

  • Catalysts (AREA)

Abstract

A method of preparing core-shell nanoparticles, the method comprising: contacting a mixture comprising a first metal oxide, a first encapsulating material comprising an alkali metal or alkaline earth metal, and a second encapsulating material comprising a second metal oxide with hydrogen gas at a temperature higher than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide and lower than the decomposition temperature of the first encapsulating material resulting in the reduction the first metal oxide and the formation of metal nanoparticles that are at least partially encapsulated with a bimetallic oxide comprising the alkali metal or the alkaline earth metal and the second metal oxide thereby forming the core-shell nanoparticles, wherein the Tammann temperature of the first encapsulating material is lower than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide.

Description

TAMMANN TEMPERATURE-GUIDED SYNTHESIS OF CORE@SHELL CATALYSTS
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
The present application claims priority from U.S. Provisional Patent Application No. 63/434,899, filed on December 22, 2022, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
TECHNICAL FIELD
The present disclosure generally relates to a method of preparing core@shell catalysts with improved stability.
BACKGROUND
Transition metal nanoparticles (MT NPs) exhibit excellent activities for many important catalytic reactions, such as methane (CH4) or ammonia (NH3) conversions, yet stability drawbacks hinder their practical applications. This is because the highly active surface atoms are generally thermodynamically unstable, leading to severe NPs sintering via secondary nucleation, recrystallization, ripening, particle migration, and coalescence. To preserve the NPs’ stability, different approaches have been developed. Among them, the core@shell architecture offers advantageous structure by isolating the active nanoparticle cores with outer shells to prevent sintering during high-temperature catalytic reactions. The most commonly used core@shell synthesis method is to physically confine the NPs in porous materials (e.g., silica, alumina, zeolites, etc. ) . Despite various choices and vast sources of confining materials, the limitation of active site blockage by the inert supports is often observed, thereby diminishing the catalytic performance.
Alternatively, strong metal-support interactions (SMSI) have been engineered to produce core@shell architecture for stabilizing and modifying active metal NPs. For example, on the  important industrial Cu/ZnO/Al2O3 methanol synthesis catalyst, it is found that the partially reduced zinc oxides can interact with metallic Cu NPs via SMSI effect, forming a protective layer to prevent the sintering of Cu NPs. Due to the unique geometric and sintering-resistant interfacial interactions, various SMSI metal and support compositions have been explored and studied. It is observed that at the metal-support interfaces, the reducible metal oxide substrates (e.g., TiO2, V2O3, CeO2, and Ta2O5) can be thermally activated and migrated onto metal NPs surface (typically platinum group metals like Pt, Pd, etc. ) under hydrogen (H2) atmosphere at high temperature, forming complete encapsulation of the NPs by the oxides. Such unique SMSI metal@support configurations not only dramatically improve the thermodynamic stability of the NPs against sintering but also impart tunable versatility of the catalytic properties via modulating the core@shell interface.
Unfortunately, the high temperature required in the thermal activation step of SMSI restricts the application of this strategy to NPs with low melting points. For those with inherently low melting temperatures, such as Fe, Co, Ni, Cu, Au, etc., the NPs tend to sinter before the encapsulation occurs. Hence, to achieve successful encapsulation of MT NPs through SMSI, it is critical to activate the supporting metal oxides with sufficient mobility before the MT NPs sinter. Several successes have been reported, such as HCOx-adsorbate-mediated SMSI encapsulation on TiO2-and Nb2O5-supported Rh NPs, CO2-enhanced redox-inert MgO encapsulation on Au NPs, and the adsorbate-induced SMSI reconstruction of the commercial Cu/ZnO/Al2O3 that maximizes the activity and stability. However, these methods are highly material-specific and thus hard to be extended to other systems. Therefore, there is still a need for general methods for core@shell synthesis that address or overcome at least some of the disadvantages described above.
SUMMARY
Provided herein is a general and efficient approach for achieving thermal-induced SMSI encapsulation on MT NPs. The approach involves utilizing the empirical Tammann temperature (TTam) phenomenon, which describes the atoms in the solid-state materials becoming loosened with higher mobility and reactivity at temperatures higher than c. a. 1/2 of the melting point. The advantage of the low TTam compounds that can be thermally activated and reacted at relatively low temperatures is leveraged. Once a coating of low TTam compounds is formed on MT NPs, further overlayer functionalization can be realized through a solid-state reaction, resulting in the formation of the highly thermally stable protective layer of the catalyst support.
In a first aspect, provided herein is a method of preparing core-shell nanoparticles, the method comprising: contacting a mixture comprising a first metal oxide, a first encapsulating material comprising an alkali metal or an alkaline earth metal, and a second encapsulating material comprising a second metal oxide with hydrogen gas at a temperature higher than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide and lower than the decomposition temperature of the first encapsulating material resulting in the reduction the first metal oxide and the formation of metal nanoparticles that are at least partially encapsulated with a bimetallic oxide comprising the alkali metal or the alkaline earth metal and the second metal oxide thereby forming the core-shell nanoparticles, wherein the Tammann temperature of the first encapsulating material is lower than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide.
In certain embodiments, the method further comprises providing screening data of changes in enthalpy of possible reaction products of a reaction of a candidate first metal oxide, a candidate first encapsulating material, a candidate second encapsulating material, and hydrogen gas; and selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the screening data and the decomposition temperature of the candidate first encapsulating material.
In certain embodiments, the screening data is generated using a computer.
In certain embodiments, the method further comprises selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide; the decomposition temperature of the first encapsulating material and the Tammann temperature of the first encapsulating material.
In certain embodiments, the first metal oxide comprises a metal selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, Sn, Pt, Ru, Pd, W, Ir, Os, Rh, Nb, Ta, Pb, Bi, Au, Ag, Sc, and Y.
In certain embodiments, the first metal oxide is selected from the group consisting of CoO3, Co3O4, CoO, CuO, Cu2O, NiO, Ni2O3, Ag2O, AgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, ZnO, PdO, PdO2, PtO, and PtO2.
In certain embodiments, the first encapsulating material comprises an alkali metal or an alkaline earth metal salt comprising one or more anions selected from the group consisting of carbonate, sulfate, nitrate, chloride, phosphate, and acetylacetonate.
In certain embodiments, the first encapsulating material comprises CaCO3, MgCO3, SrCO3, BaCO3, NaCl, KCl, RbCl, Na2CO3, K2CO3, or Rb2CO3.
In certain embodiments, the second metal oxide comprises Al2O3, TiO2, silica, Ga2O3, In2O3, ZrO2, or a mixture thereof.
In certain embodiments, the first metal oxide is selected from the group consisting of CoO3, Co3O4, CuO, Cu2O, NiO, Ni2O3, Ag2O, AgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, ZnO, PdO, PdO2, PtO, and PtO2.
In certain embodiments, the bimetallic oxide comprises MgAl2O4, CaAl2O4, SrAl2O4, BaAl2O4, MgTiO3, CaTiO3, SrTiO3, BaTiO3, MgGa2O4, CaGa2O4, SrGa2O4, BaGa2O4, MgIn2O4, CaIn2O4, SrIn2O4, BaIn2O4, MgZrO3, CaZrO3, SrZrO3, or BaZrO3.
In certain embodiments, each of the core-shell nanoparticles comprise a shell comprising MgAl2O4, CaAl2O4, SrAl2O4, BaAl2O4, MgTiO3, CaTiO3, SrTiO3, BaTiO3, MgGa2O4, CaGa2O4, SrGa2O4, BaGa2O4, MgIn2O4, CaIn2O4, SrIn2O4, BaIn2O4, MgZrO3, CaZrO3, SrZrO3, or BaZrO3; and a core comprising Co, Cu, Ni, Ag, Fe, Zn, Pd, or Pt.
In certain embodiments, the core-shell nanoparticles are selected from the group consisting of Co@BaAl2O4, Cu@BaAl2O4, Ni@BaAl2O4, Co@BaTiO3, Fe@MgGa2O4, Co@MgGa2O4, and Ni@BaZrO3.
In certain embodiments, the core-shell nanoparticles have an average diameter of 10-15 nm.
In certain embodiments, the method further comprises calcining the mixture prior to the step of contacting the mixture with hydrogen gas.
In certain embodiments, calcining is conducted below the decomposition temperature of the first encapsulating material.
In certain embodiments, the method further comprises contacting a first metal nitrate, an alkali metal or an alkaline earth metal nitrate, a second metal nitrate, and an alkali metal carbonate thereby forming a coprecipitate; and calcining the coprecipitate thereby forming the mixture.
In certain embodiments, the method further comprises providing screening data of changes in enthalpy of possible reaction products of a reaction of a candidate first metal oxide, a candidate first encapsulating material, a candidate second encapsulating material, and hydrogen gas; and selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the screening data and the decomposition temperature of the candidate first encapsulating material; and selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide;  the decomposition temperature of the first encapsulating material and the Tammann temperature of the first encapsulating material.
In certain embodiments, the first metal oxide comprises a metal selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, Sn, Pt, Ru, Pd, W, Ir, Os, Rh, Nb, Ta, Pb, Bi, Au, Ag, Sc, and Y.
In certain embodiments, the method further comprises contacting a first metal nitrate, an alkali metal or an alkaline earth metal nitrate, a second metal nitrate, and an alkali metal carbonate thereby forming a coprecipitate; and calcining the coprecipitate thereby forming the mixture.
Core-shell nanoparticles prepared in accordance with the methods described herein exhibit high thermal resistance, good hydrothermal stability, and excellent catalytic properties in a broad range of catalytic reactions, such as catalytic ammonia decomposition, methane dry reforming, methane steam reforming, methanol reforming, CO2 hydrogenation, selective catalytic reduction, etc.
Herein, MT NPs are synthesized by in-situ reduction from the corresponding MT oxides (MTOx) to avoid the troublesome multi-step processes and handling of active MT NPs materials. To establish SMSI encapsulation, the TTam as an indicator is considered to select suitable encapsulating materials, i.e., supports, for the targeted metal catalysts. More specifically, as shown in Fig. 1a, the TTam of the encapsulating materials, denoted as TTam (support) , should be lower than the reduction temperature (Tred) of MTOx, denoted as Tred (MTOx) , so encapsulation can occur during the MT NP formation at Tred (MTOx) to inhibit MT particle overgrowth. Meanwhile, the decomposition temperature (Tdec) of the encapsulating materials, denoted as Tdec (support) , must be higher than the Tred (MTOx) to avoid the loss of high mobility due to the phase/structure change. Based on these considerations, if one support material can fit in the  simple rule of TTam (support) < Tred (MTOx) < Tdec (support) , then it is expected to exhibit high mobility to achieve SMSI encapsulation on MT NPs at Tred (MTOx) .
As a proof-of-concept demonstration, low TTam alkaline earth metal (common catalyst promoters) in the carbonate form (MAECO3) were selected as the candidate support. The phase-changing temperatures of the common non-noble MTOx (MT = Fe, Co, Ni, Cu) and MAECO3 (MAE = Mg, Ca, Sr, Ba) combinations are mapped in Fig. 1b. The Tdec (MAECO3) and Tred (MTOx) are measured by H2 temperature-programmed decomposition and reduction experiments, respectively (see details in Figs. 10-11 and Fig. 36) , while the TTam (MAECO3) are retrieved from literature. In Fig. 1b, the region sandwiched by Tdec (MAECO3) and TTam (MAECO3) (shadowed area) indicates the suitable temperature window (or encapsulable window) to theoretically allow for the facile SMSI encapsulation on the MT NPs if the corresponding Tred (MTOx) falls into this range. A test synthesis on the Co and BaCO3 combination has been used to demonstrate this concept. Uniformly distributed Co NPs encapsulated in BaCO3 (i.e., Co@BaCO3) were obtained through one-step thermal treatment at the temperature around Tred (Co3O4) in H2 atmosphere (see details in Fig. 1c, Fig. 12 and Fig. 38) . This result demonstrates the viability of the proposed strategy for convenient thermal encapsulation of MT NPs guided by Tammann temperatures.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
The foregoing aspects and many of the attendant advantages of this invention will become more readily appreciated by reference to the following detailed description, when taken in conjunction with the accompanying drawings.
Figure 1 Theoretical synthetic rationale for the thermal encapsulation based on the Tammann temperature. a, Schematic illustration of the designed synthesis rationale for this thermal-induced encapsulation strategy guided by Tammann temperature. b, Schematic of the estimated suitable temperature range (or encapsulable window, shadowed) to enable  encapsulation on in-situ formed MT NPs with MAECO3 through thermal-induced SMSI. c, TEM, STEM images and element distribution maps of Co@BaCO3.
Figure 2 Metal encapsulation and overlayer functionalization from one-step thermal treatment. a, Schematic illustration of the subsequent overlayer functionalization step following the thermal-induced SMSI encapsulation. b, Rapid computational screening of reaction enthalpy changes (ΔH) for forming possible products from solid-state reactions between BaCO3, Al2O3 and Co3O4 in H2. ΔH were obtained from the Materials Project database. The lower the ΔH, the more stable the reaction product. c, STEM image and element distribution maps of Co@BaAl2O4. d, EXAFS fitting curves in R-space for the Co K-edge (upper panel) and Ba L3-edge (lower panel) of Co@BaAl2O4. e, Rietveld refinement of the SXRD patternof Co@BaAl2O4.
Figure 3 Real-time observation and mechanism study for the encapsulation. a-d, In-situ STEM images at the initial state at room temperature (a) , BaCO3 diffusion stage when the temperature is above TTam (BaCO3) (b) (the dotted lines represent the expansion of the BaCO3 boundary, and the dashed circles show the vacancies inside the BaCO3) , Co NP formation stage when the temperature is above the Tred (Co3O4) (c) (the circles indicate Co nucleation and growth) , and Co@BaAl2O4 formation stage after the solid-state reaction between BaCO3 and Al2O3 (d) . e, Schematic illustration of the mechanism for this thermal-induced encapsulation strategy guided by Tammann temperature. f, XRD patterns of the 40Co: 20Ba: 40Al reduced at different temperatures ranging from room temperature to 700 ℃. g, In-situ Raman spectra (left panel) of the 40Co: 20Ba: 40Al reduced at different temperatures ranging from room temperature to 700 ℃, and MS signals (right panel) of the outlet gas monitored during the H2 reduction process (tracking m/z = 2 for H2, m/z = 18 for H2O and m/z = 28 for CO) .
Figure 4 The encapsulated nanocatalyst enables excellent catalytic performance. a, Comparison of H2 production rate at 500 ℃ between the Co@BaAl2O4 and the selected core@shell catalysts used for NH3 decomposition reaction (details see Fig. 46) . b, H2  production rate according to time-on-stream during the NH3 decomposition reaction over the core@shell Co@BaAl2O4, and the non-encapsulated catalysts including Co/Al2O3, and Co/BaAl2O4 samples prepared by co-precipitation and polyol method. The performance was evaluated at weight hourly space velocity (WHSV) of 30,000 mL gcat -1 h-1. c, Co NP size distribution histograms of the non-encapsulated Co/BaAl2O4-coprecipitation before and after 80-hour NH3 decomposition reaction, inset shows the TEM images of corresponding samples. d, Co NP size distribution histograms of core@shell Co@BaAl2O4 before and after 80-hour NH3 decomposition reaction, inset shows the TEM images of corresponding samples. e, STEM images (upper panel) and element distribution maps (lower panel) of Cu@MgAl2O4, Ni@BaAl2O4, and Co@BaTiO3.
Figure 5 Precursors preparation via co-precipitation synthesis method and thermal treatment. Schematic representation of the mMT: nMAE: 2nAl precursor synthesis procedure and subsequent thermal treatment process.
Figure 6 XRD measurement of air-sensitive samples. Air-tight XRD holder for air-sensitive samples.
Figure 7 In-situ Raman setup. (a) in-situ Raman gas cell, with gas flow directions marked. (b-c) Experimental setup for the in-situ example showing the gas cell mounted on the stage of a Raman imaging microscope. (d) Temperature and flow control units of the in-situ Raman setup.
Figure 8 In-situ STEM setup. (a) Schematic showing the assembly of the Protochips Atmosphere gas holder. (b) An E-chip used in the Protochips Atmosphere gas holder. (c) Atmosphere system for the in-situ STEM experiment.
Figure 9 Schematic of the NH3 decomposition performance testing setup.
Figure 10 Determination of the decomposition temperature (Tdec) of MAECO3. MS signals during the H2 temperature-programmed decomposition of (a) MgCO3, (b) CaCO3, (c) SrCO3, and (d) BaCO3. When it reached 800 ℃, the temperature was kept at 800 ℃ for 3 hours  (950 ℃ for BaCO3) . The unshadow areas (x = 50 to 800 ℃) show the MS signals as a function of temperature. The blue-shadow areas (x = 0 to 180 min) show the MS signals as a function of the retention time at 800℃ (950 ℃ for BaCO3) . The maximum of each decomposition profile is determined as the corresponding Tdec (MAECO3) .
Figure 11 Determination of the reduction temperature (Tred) of MTOx. MS signals during the H2 temperature-programmed reduction of (a) Fe2O3, (b) Co3O4, (c) NiO, and (d) CuO. When it reached 800 ℃, the temperature was kept at 800 ℃ for 3 hours (950 ℃ for Fe2O3) . The unshadow areas (x = 50 to 800 ℃) show the MS signals as a function of temperature. The blue-shadow areas (x = 0 to 180 min) show the MS signals as a function of the retention time at 800℃ (950 ℃ for Fe2O3) . The orange-shadow areas are the literature-reported H2 temperature-programmed reduction temperature ranges, indicating that our measured values are all in reasonable ranges according to previous reports (Detailed reported data can be found in Fig. 37) . The maximum of each reduction profile is determined as the corresponding Tred (MTOx) .
Figure 12 Proof-of-concept demonstration by constructing Co@BaCO3 encapsulation configuration. Structure and configuration identification of C (500) -R (500) -67Co: 33Ba: (a) XRD pattern, and (b) Co NP size distribution measured from low magnification TEM images.
Figure 13 High-throughput screening of the possible products from solid-state reactions. All (upper panel) and top 20 (lower panel) possible products and corresponding reaction enthalpy change (ΔH) of the solid-state reactions between BaCO3 + Al2O3 + Co3O4 +H2.
Figure 14 Construction of Co@BaAl2O4 encapsulation configuration. (a) Upper panels: XRD pattern of C (500) -40Co: 20Ba: 40Al. Lower panels: XRD pattern of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. It can be observed that Co3O4 has been reduced to Co NPs during the H2 thermal treatment, and BaAl2O4 is formed via the solid-state reaction between BaCO3  and Al2O3. (b) Size distributions of Co NPs measured from low magnification TEM images of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al.
Figure 15 Morphology and structural investigation of Co@BaAl2O4 from TEM. (a) High-resolution TEM image of Co@BaAl2O4. The dashed boxes denote the regions in which the fast Fourier transform (FFT) was performed. (b) FFT pattern calculated from the dashed box, which shows the fcc Co phase diffraction pattern along [011] zone axis. (c) FFT pattern calculated from the dashed box, which shows the BaAl2O4 phase diffraction pattern along zone axis.
Figure 16 Electronic properties and local structures of Co in Co@BaAl2O4. (a) Co K-edge XANES spectra of 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al, along with the Co foil for comparison purpose. (b) k3-weighted Co K-edge Fourier transform (FT) EXAFS of 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. (c) Co K-edge EXAFS fitting curves of C (500) -40Co: 20Ba: 40Al. (d) Co K-edge EXAFS fitting curves of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. (e-h) WT representations of the Co K-edge EXAFS signals for: (e) C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, (f) C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al, (g) theoretical Co3O4 model, and (h) Co foil standard.
Figure 17 Electronic properties and local structures of Ba in Co@BaAl2O4. (a) Ba L3-edge XANES spectra of 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. (b) k3-weighted Ba L3-edge Fourier transform (FT) EXAFS of 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. (c) Ba L3-edge EXAFS fitting curves of 40Co: 20Ba: 40Al. (d) Ba L3-edge EXAFS fitting curves of C (500) -40Co: 20Ba: 40Al. (e) Ba L3-edge EXAFS fitting curves of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. (f-j) WT representations of the Ba L3-edge EXAFS signals for: (f) 40Co: 20Ba: 40Al, (g) C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, (h) C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al, (i) theoretical BaCO3 model, and (j) theoretical BaAl2O4 model.
Figure 18 Oxygen vacancies in the BaAl2O4 overlayer of Co@BaAl2O4. (a) XPS spectra of the O1s core level for Co@BaAl2O4, which shows a peak at binding energies of 532.2 eV attributing to the oxygen vacancies in the BaAl2O4 lattice. (b) EPR spectra of BaAl2O4, which shows a signal with the splitting factor values (g) of 1.9806, corresponding to oxygen vacancies with a single trapped electron (VO +) . (c) Ar adsorption-desorption isotherms of Co@BaAl2O4 and pristine BaAl2O4. (d) The density functional theory (DFT) pore size distribution curves of Co@BaAl2O4 and pristine BaAl2O4.
Figure 19 Necessity of low-TTam MAECO3 as the facilitator. (a-d) Structure and configuration identification of Co/BaAl2O4-coprecipitation: (a) XRD pattern of Co/BaAl2O4-coprecipitation, (b-c) TEM images of Co/BaAl2O4-coprecipitation, and (d) Co NP size distribution of Co/BaAl2O4-coprecipitation measured from low magnification TEM images. (e-h) Structure and configuration identification of Co/BaAl2O4-polyol: (e) XRD pattern of Co/BaAl2O4-polyol, (f-g) TEM images of Co/BaAl2O4-polyol, and (h) Co NP size distribution of Co/BaAl2O4-polyol measured from low magnification TEM images.
Figure 20 Elemental composition analyses during the synthesis process. (a) SEM image of 40Co: 20Ba: 40Al, (b) SEM image of C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and (c) SEM image of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. (d) EDX chemical composition analyses of 40Co: 20Ba: 40Al, (e) EDX chemical composition analyses of C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and (f) EDX chemical composition analyses of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. It can be observed that the atomic ratio of Co, Ba, and Al remains unchanged at about 2: 1: 2 in each step during the whole synthesis process without significant loss, which is consistent with the original precursor metal composition.
Figure 21 Morphology evolution during the synthesis process. TEM images of the samples at different stages of the synthesis process (i.e., as-precipitated, as-calcined, and thermally treated in H2) .
Figure 22 Morphology of mix-metal precursor before H2 thermal treatment. (a) Low magnification TEM image of the precursor C (500) -40Co: 20Ba: 40Al. (b) TEM image of BaCO3 region. Inset is the corresponding FFT pattern of the whole area, which corresponds to the (230) , (111) , (220) , and (011) planes of BaCO3 phase. (c-d) High-resolution TEM images of Co/Al oxides region. Inset of (d) is the FFT pattern calculated from marked Al2O3 rods, which shows the Al2O3 phase diffraction pattern alongzone axis.
Figure 23 Real-time observation of the element distribution evolution by in-situ STEM-EDX. EDX mapping in the same area of (a) the as-calcined precursor C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, (b) the specimen after 500 ℃ in-situ reduction for 30 min, and (c) the specimen after 800 ℃ in-situ reduction for 30 min. (d) EELS mapping and corresponding selected area electron diffraction (SAED) pattern of the specimen after 800 ℃ in-situ reduction for 30 min.
Figure 24 Evaluation of the electron beam influence on the observed sample. (a) EDX mapping of the mixed metal precursor outside the in-situ tracked region. (b) EELS mapping of the specimen outside the in-situ tracked region after 800 ℃ reduction for 30 min.
Figure 25 The reliability of NH3 decomposition performance testing equipment and the accuracy of product composition analyses. (a) NH3 conversions comparison between reported benchmark catalysts and our verification experiment results. (b) NH3 conversions obtained from MS analyses and titration analyses.
Figure 26 Catalytic performances on NH3 decomposition of Co@BaAl2O4 catalysts. NH3 decomposition conversion and H2 production rate over Co@BaAl2O4 catalysts as a function of reaction temperature. The performance was evaluated at weight hourly space velocity (WHSV) of 30,000 mL gcat -1 h-1 and 1 atm.
Figure 27 Co@BaAl2O4 represents one of the most effective catalysts in both non-noble and noble catalysts records. Comparison of NH3 conversion between the Co@BaAl2O4 (red balls) and the reported Ru-based and non-noble metal-based catalysts. The sizes of the  balls represent the value of WHSV. The larger the ball diameter, the higher the WHSV. Detailed data can be found in Fig. 47.
Figure 28 S24. Sintering of non-encapsulation structure in harsh thermal environments: Co/BaAl2O4-coprecipitation sample. Structure and configuration identification of Co/BaAl2O4-coprecipitation (see Fig. 21 for synthesis details) before (blue) and after (green) 80-hour NH3 decomposition reaction: (a) XRD patterns before and after the reaction. (b-c) TEM images before the reaction. (d) Co NP size distribution before the reaction measured from low magnification TEM. (e-f) TEM images after the reaction. (g) Co NP size distribution after the reaction measured from low magnification TEM images.
Figure 29 Sintering of non-encapsulation structure in harsh thermal environments: Co/Al2O3 sample. Structure and configuration identification of Co/Al2O3 before and after 80-hour NH3 decomposition reaction: (a) XRD patterns before and after the reaction. (b-c) TEM images before the reaction. (d) Co NP size distribution before the reaction measured from low magnification TEM. (e-f) TEM images after the reaction. (g) Co NP size distribution after the reaction measured from low magnification TEM images. The Co/Al2O3 was synthesised by the following steps: (i) co-precipitation of Co (NO32 and Al (NO33 with the molar ratio of 2: 3, i.e., 40Co: 60Al; (ii) air calcination at 500 ℃, i.e., C (500) -40Co: 60Al; (iii) H2 thermal treatment at 500 ℃, i.e., C (500) -R (500) -40Co: 60Al.
Figure 30 Structural stability of Co@BaAl2O4 with encapsulation structure in harsh thermal environments. (a) XRD pattern of Co@BaAl2O4 catalysts before (blue) and after 80-hour NH3 decomposition reaction, (b) Co3p XPS spectra of Co@BaAl2O4 catalysts before and after 80-hour NH3 decomposition reaction, blank circles represent experimental XPS data, and solid lines are the convolution of Gaussians and Lorentzians, (c) Ba4d XPS spectra of Co@BaAl2O4 catalysts before and after 80-hour NH3 decomposition reaction, blank circles represent experimental XPS data, and solid lines are the convolution of Gaussians and Lorentzians, and (d) k3-weighted Fourier transforms (FT) Co K-edge (upper panel) and Ba L3- edge (lower panel) EXAFS of post-reaction Co@BaAl2O4 and corresponding EXAFS fitting: circles represent experimental data, and solid lines represent the EXAFS fitting results.
Figure 31 Excellent environment tolerance and reusability for practical application. NH3 conversion during the five-month-long testing events, including temperature fluctuations, system ONs/OFFs, and catalyst offload/reload.
Figure 32 Good stability of Co@BaAl2O4 with encapsulation structure in CH4 dry-reforming reaction. CH4 conversion, CO2 conversion, H2 selectivity and H2/CO ratio in different time-on-stream during the CH4 dry-reforming reaction over the Co@BaAl2O4 catalyst. The performance was evaluated at WHSV of 31, 765 mL gcat -1 h-1 and a temperature of 750 ℃. The molar ratio of CH4: CO2: Ar in inlet gas is 0.45: 0.45: 0.10. The dotted lines indicate the thermodynamic equilibrium of CH4 and CO2 conversions.
Figure 33 Ni@BaAl2O4 core@shell synthesis. (a) All (upper panel) and top 20 (lower panel) possible products and corresponding ΔH of the solid-state reactions between BaCO3 +Al2O3 + NiO + H2. (b) XRD pattern of C (500) -40Ni: 20Ba: 40Al and Ni@BaAl2O4. (c) Size distribution of Ni NPs measured from low magnification TEM images of Ni@BaAl2O4.
Figure 34 Cu@MgAl2O4 core@shell synthesis. (a) All (upper panel) and top 20 (lower panel) possible products and corresponding reaction enthalpy change (ΔH) of the solid-state reactions between MgCO3 + Al2O3 + CuO + H2. (b) XRD pattern of C (300) -40Cu: 20Mg: 40Al and Cu@MgAl2O4. (c) Size distribution of Cu NPs measured from low magnification TEM images of Cu@MgAl2O4.
Figure 35 Co@BaTiO3 core@shell synthesis. (a) All (upper panel) and top 20 (lower panel) possible products and corresponding reaction enthalpy change (ΔH) of the solid-state reactions between BaCO3 + TiO2 + CoO + H2. (b) XRD pattern of C (500) -50Co: 25Ba: 25Ti and Co@BaTiO3. (c) Size distribution of Co NPs measured from low magnification TEM images of Co@BaTiO3.
Figure 36 Melting points (Tmelt) and Tammann temperatures (TTam) of MAECO3 (MAE = Mg, Ca, Sr, Ba) and MT (MT = Fe, Co, Ni, Cu) retrieved from literature. The experimental decomposition temperatures (Tdec) of MAECO3 and reduction temperatures (Tred) of MTOx*The crystalline lattice of a solid compound maintains constant vibrational motion at normal room temperature. When the temperature increases, the ions’ motion amplitude increases until they reach the melting point and transition into a liquid phase. Tammann temperature (TTam) is an absolute temperature at which atoms in the crystal lattice of a solid bulk material become ‘loosened’ and, therefore, more reactive or susceptible to diffusion by other molecules. TTam is reported as approximately half of a compound’s absolute melting point (Tmelt) .
Figure 37 Reduction temperatures of MTOx to MT NPs in H2 temperature-programmed reduction spectra retrieved from literature.
Figure 38 Estimation of Co NP crystallite size in C (500) -R (500) -67Co: 33Ba. 67Co: 33Ba precursor was synthesized by co-precipitating Co (NO32 and Ba (NO32 solutions in BaCO3 solutions, followed by calcination in air at 500 ℃ and thermal treatment in H2 at 500 ℃. The final obtained product was denoted C (500) -R (500) -67Co: 33Ba. Fig. 12a shows the XRD pattern of C (500) -R (500) -67Co: 33Ba, in which BaCO3 and fcc Co are observed, indicating that Co3O4 has been reduced to fcc Co while keeping BaCO3 undecomposed.
Figure 39 Estimation of Co NP crystallite sizes.
Figure 40 Co K-edge EXAFS fitting parameters of C (500) -40Co: 20Ba: 40Al and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. *Co K-edge EXAFS fitting results, in which CN is the average coordination number, R is the distance from the absorber atom, and σ2 the Debye–Waller factor. R-factor denotes the quality factor of the fitting, and ΔE0 the energy shift from the absorption edge energy E0.
Figure 41 Coordination environments of the absorbing Co atoms in theoretical Co3O4 and Co metal model.
Figure 42 Ba L3-edge EXAFS fitting parameters of 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al.
Figure 43 Coordination environments of the absorbing Ba atoms in theoretical BaCO3 and BaAl2O4 models.
Figure 44 Estimation of Co NP crystallite sizes in Co/BaAl2O4-coprecipitation and Co/BaAl2O4-polyol.
Figure 45 The atomic ratio of Co, Ba, and Al elements in 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al measured by SEM-EDX.
Figure 46 Catalytic performances on NH3 decomposition of Co@BaAl2O4 and other reported core@shell catalysts at 1 atm.
Figure 47 Selected catalysts from literature with high NH3 decomposition performances (NH3 conversion ≥ 95%) at 1 atm and high WHSV (> 15,000 mL gcat -1 h-1) .
Figure 48 Estimation of Co NP crystallite sizes in Co/BaAl2O4-coprecipitation before and after 80-hour NH3 decomposition reaction.
Figure 49 Estimation of Co NP crystallite size in Co/Al2O3 before and after 80-hour NH3 decomposition reaction.
Figure 50 Estimation of Co NP crystallite sizes in Co@BaAl2O4 before and after 80-hour NH3 decomposition reaction.
Figure 51 Co K-edge EXAFS fitting parameters of post-reaction Co@BaAl2O4.
Figure 52 Ba L3-edge EXAFS fitting parameters of post-reaction Co@BaAl2O4.
Figure 53 Reported catalysts used for CH4 dry-reforming and their catalytic performances at corresponding conditions.
Figure 54 Estimation of MT NPs crystallite sizes.
DETAILED DESCRIPTION
Definitions
Throughout the present disclosure, unless the context requires otherwise, the word "comprise" or variations such as "comprises" or "comprising" , will be understood to imply the inclusion of a stated integer or group of integers but not the exclusion of any other integer or group of integers. It is also noted that in this disclosure and particularly in the claims and/or paragraphs, terms such as “comprises” , “comprised” , “comprising” and the like can have the meaning attributed to it in U.S. Patent law; e.g., they can mean “includes” , “included” , “including” , and the like; and that terms such as “consisting essentially of” and “consists essentially of” have the meaning ascribed to them in U.S. Patent law, e.g., they allow for elements not explicitly recited, but exclude elements that are found in the prior art or that affect a basic or novel characteristic of the present invention.
Furthermore, throughout the present disclosure and claims, unless the context requires otherwise, the word “include” or variations such as “includes” or “including” , will be understood to imply the inclusion of a stated integer or group of integers, but not the exclusion of any other integer or group of integers.
The use of the singular herein includes the plural (and vice versa) unless specifically stated otherwise. In addition, where the use of the term "about" is before a quantitative value, the present teachings also include the specific quantitative value itself, unless specifically stated otherwise. As used herein, the term "about" refers to a ±10%, ±7%, ±5%, ±3%, ±1%, or ±0%variation from the nominal value unless otherwise indicated or inferred.
The present disclosure provides a method of preparing core-shell nanoparticles, the method comprising: contacting a mixture comprising a first metal oxide, a first encapsulating material comprising an alkali metal or an alkaline earth metal, and a second encapsulating material comprising a second metal oxide with hydrogen gas at a temperature higher than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide and lower than the decomposition temperature of the first encapsulating material resulting in the reduction the first metal oxide  and the formation of metal nanoparticles that are at least partially encapsulated with a bimetallic oxide comprising the alkali metal or the alkaline earth metal and the second metal oxide thereby forming the core-shell nanoparticles, wherein the Tammann temperature of the first encapsulating material is lower than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide.
The first metal oxide can comprise a metal selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, Sn, Pt, Ru, Pd, W, Ir, Os, Rh, Nb, Ta, Pb, Bi, Au, Ag, Sc, and Y. The oxidation state of the metal can be 1+, 2+, 3+, 4+, 5+, or 6+. In certain embodiments, the metal oxide comprises V2+, V3+, V4+, V5+, Cr2+, Cr3+, Cr6+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Ni2+, Ni3+, Cu1+, Cu2+, Zn1+, Mo2+, Mo3+, Mo4+, Mo5+, Mo6+, Se2+, Se4+, Sn2+, Sn4+, Pt2+, Pt4+, Ru2+, Ru3+, Ru4+, Ru5+, Ru6+, Pd2+, Pd4+, W2+, W3+, W4+, W5+, W6+, Ir1+, Ir3+, Os3+, Os4+, Os5+, Os6+, Rh1+, Rh3+, Nb3+, Nb4+, Nb5+, Ta3+, Ta4+, Ta5+, Pb2+, Pb4+, Bi1+, Bi2+, Au1+, Au3+, Ag1+, Sc3+, or Y3+. Exemplary metal oxides include, but are not limited to, CoO3, Co3O4, CoO, CuO, Cu2O, NiO, Ni2O3, Ag2O, AgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, ZnO, PdO, PdO2, PtO, and PtO2.
The alkali metal can be lithium, sodium, potassium, rubidium, or caesium. The alkaline earth metal can be beryllium, magnesium, calcium, strontium, or barium. In certain embodiments, the first encapsulating material can comprise an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt. In certain embodiments, the alkali metal salt or an alkaline earth metal salt comprises one or more anions selected from the group consisting of carbonate, sulfate, nitrate, and chloride. Exemplary alkali metal salt or an alkaline earth metal salts include, but are not limited to, NaCl, KCl, RbCl, Na2CO3, K2CO3, Rb2CO3, CaCO3, MgCO3, SrCO3, and BaCO3.
The first encapsulating material can be any alkali metal salt or alkaline earth metal salt with a Tammann temperature lower than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide and a decomposition temperature higher than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide. The Tammann temperature and the of the first encapsulating material can be  readily determined based on the melting point of the first encapsulating material. The decomposition temperature of the first encapsulating material can be determined experimentally by identifying the temperature that the first encapsulating material begins to decompose under the reaction conditions that the mixture and hydrogen are contacted.
The second encapsulating agent can comprise a second metal oxide selected from the group consisting of Al2O3, TiO2, silica, Ga2O3, In2O3, ZrO2, and mixtures thereof.
Under the reaction conditions the first encapsulating material and the second encapsulating material can undergo a solid-state reaction at temperatures above the Tammann temperature of the first encapsulating material whereby a bimetallic oxide forms, which at least partially encapsulates the metal nanoparticle, wherein the bimetallic oxide comprises the alkali metal or the alkaline earth metal and the second metal oxide. In certain embodiments, the bimetallic oxide partially encompasses a plurality of metal nanoparticles, e.g., 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, or more metal nanoparticles. The composition of the bimetallic oxide shell will vary based on the selection of the first encapsulating material and the second encapsulating material. In certain embodiments, the bimetallic oxide is MgAl2O4, CaAl2O4, SrAl2O4, BaAl2O4, MgTiO3, CaTiO3, SrTiO3, BaTiO3, MgGa2O4, CaGa2O4, SrGa2O4, BaGa2O4, MgIn2O4, CaIn2O4, SrIn2O4, BaIn2O4, MgZrO3, CaZrO3, SrZrO3, or BaZrO3.
In certain embodiments, the metal nanoparticles comprise V0, Cr0, Mn0, Fe0, Co0, Ni0, Cu0, Zn0, Mo0, Se0, Sn0, Pt0, Ru0, Pd0, W0, Ir0, Os0, Rh0, Nb0, Ta0, Pb0, Bi0, Au0, Ag0, Sc0, or Y0.
The hydrogen reduction temperature of the first metal oxide is the temperature required to reduce at least a portion of the first metal oxide thereby forming zero-valent metal nanoparticles under the reaction conditions that the mixture and hydrogen gas are contacted. The hydrogen reduction temperature of the first metal oxide can be experimentally determined by a person of ordinary skill in the art based on well-known experimental techniques. In certain embodiments, reduction of the first metal oxide yields a mixture of reduction products  including, partially reduced metal species. The core can comprise at least 5%wt/wt, at least 10%wt/wt, at least 20%wt/wt, at least 30%wt/wt, at least 40%wt/wt, at least 50%wt/wt, at least 60%wt/wt, at least 70%wt/wt, at least 80%wt/wt, at least 90%wt/wt, at least 95%wt/wt, at least 97%wt/wt, at least 98%wt/wt, at least 99%wt/wt, or at least 99.9%wt/wt of zero-valent metal relative to the total weight of vero-valent metal, partial first metal oxide reduction products, and unreacted first metal oxide. In certain embodiments, the core comprises between 5-99.9%wt/wt, 10-99.9%wt/wt, 20-99.9%wt/wt, 30-99.9%wt/wt, 40-99.9%wt/wt, 50-99.9%wt/wt, 60-99.9%wt/wt, 70-99.9%wt/wt, 80-99.9%wt/wt, 90-99.9%wt/wt, 95-99.9%wt/wt, 30-99%wt/wt, 30-90%wt/wt, 30-80%wt/wt, 30-70%wt/wt, 30-60%wt/wt, 40-60%wt/wt, or 40-50%wt/wt of zero-valent metal relative to the total weight of vero-valent metal, partial first metal oxide reduction products, and unreacted first metal oxide.
The core-shell nanoparticles prepared in accordance with the methods described herein can comprise one or more cores and a shell at least partially encompassing the one or more cores. In certain embodiments, the core-shell nanoparticles comprise one or more cores comprising V0, Cr0, Mn0, Fe0, Co0, Ni0, Cu0, Zn0, Mo0, Se0, Sn0, Pt0, Ru0, Pd0, W0, Ir0, Os0, Rh0, Nb0, Ta0, Pb0, Bi0, Au0, Ag0, Sc0, or Y0; and a shell comprising MgAl2O4, CaAl2O4, SrAl2O4, BaAl2O4, MgTiO3, CaTiO3, SrTiO3, BaTiO3, MgGa2O4, CaGa2O4, SrGa2O4, BaGa2O4, MgIn2O4, CaIn2O4, SrIn2O4, BaIn2O4, MgZrO3, CaZrO3, SrZrO3, or BaZrO3. Exemplary core-shell nanoparticles include, but are not limited to Co@BaAl2O4, Cu@BaAl2O4, Ni@BaAl2O4, Co@BaTiO3, Fe@MgGa2O4, Co@MgGa2O4, and Ni@BaZrO3.
In certain embodiments, the selection of the first encapsulating material is based on the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide; the decomposition temperature of the first encapsulating material and the Tammann temperature of the first encapsulating material. More particularly, for a given first metal oxide, suitable first encapsulating materials can have a Tammann temperature below the hydrogen reduction temperature of the given first metal oxide and a decomposition temperature higher than the given first metal oxide. In certain  embodiments, the selection of suitable first encapsulating materials for a given first metal oxide is determined by screening a list comprising Tammann temperatures of candidate first encapsulating agents and decomposition temperatures of candidate first encapsulating agents against a given first metal oxide’s hydrogen reduction temperature thereby identifying suitable first encapsulating materials from the list having a Tammann temperature below the hydrogen reduction temperature of the given first metal oxide and a decomposition temperature higher than the given first metal oxide. Screening can be conducted manually, e.g., by reference to tables or lists, or can be conducted using a computer.
The Tammann temperature of the first encapsulating material, the decomposition temperature of the first encapsulating material, and the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide can be determined experimentally and/or by reference to literature values.
The selection of the fist encapsulating material and the second encapsulating material can be based on data collected from screening changes in enthalpy of potential reaction products of the reaction of a candidate first metal oxide, a candidate first encapsulating material, a candidate second encapsulating material, and hydrogen gas in view of the decomposition temperature of the candidate first encapsulating material. Enthalpically favorable reactions that yield bimetallic oxides at reaction temperatures below the decomposition temperature of the candidate first encapsulating material can be selected, which determines the choice of the first encapsulating material and the second encapsulating material. This process is illustrated in Fig. 13, wherein the possible reaction products of the solid-state reaction of BaCO3 + Al2O3 + Co3O4 + H2 are ordered from most stable to least stable based on the possible product’s reaction enthalpy change (ΔH) . Of the most stable possible products, BaAl2O4 is selected, because the reaction temperature required for its production is lower than the decomposition temperature of BaCO3. In certain embodiments, the step of screening changes in enthalpy of potential reaction products is conducted using the Materials Project database in a computer.
In an exemplary embodiment, the reaction enthalpy change (ΔH) of forming different products from the solid-state reactions between BaCO3 and Al2O3, with Co3O4 and H2 coexisting in the system, were theoretically examined by the reaction calculator module in Materials Project. Before H2 thermal treatment, a mix-metal precursor containing BaCO3, Al2O3, and Co3O4 was obtained after calcination in the air. Therefore, the reactants were set as BaCO3 + Al2O3 + Co3O4 + H2 (because the solid-state reaction is under an H2 atmosphere) , while setting the possible products as all compounds containing Ba element and any one or more of Co, Al, C, O, and H. Searched from the Materials Project database, there are 53 possible different products. Then in the reaction calculator module, the reaction enthalpy change (ΔH) for obtaining each of the above 53 possible products was queried and sorted, as shown in Fig. 13. The stability of the corresponding products is evaluated by comparing the value of ΔH. The lower the ΔH, the more stable the product. Fig. 13 indicates the most stable three products are Ba7Al64O103, BaAl4O7, and BaAl2O4. Given that the high reported synthesis temperatures of BaAl4O7 (c. a. 1100℃) and Ba7Al64O103 (higher than 1100℃, via solid-state reaction of BaAl4O7 and Al2O3) , we put our focus on BaAl2O4 with Ba/Al = 1/2, which has a milder synthesis condition and thus more suitable for the one-pot synthesis of the target Co@BaAl2O4 encapsulation structure combined with the Tammann temperature guide.
In another exemplary embodiment, all the possible products and corresponding ΔH of the reactions MgCO3 + Al2O3 + CuO + H2 were sorted and plotted in Fig. 34a, which indicates that MgAl2O4 shows the lowest ΔH among all the product considered in MgCO3 + Al2O3 + CuO + H2 reactions. Hence MgAl2O4 was chosen as the target overlayer for Cu NPs. On the other hand, titanate overlayer formation can also be realised when considering the solid-state reaction between BaCO3 and TiO2. Different titanate products with stoichiometric ratios are evaluated using the rapid computational screening method (Fig. 35a) , in which BaTiO3 is one of the most commonly reported ones. Hence BaTiO3, with Ba/Ti = 1/1, was chosen as another target overlayer for Co NPs.
Guided by methods described in Fig. 1b, 40Ni: 20Ba: 40Al, 40Cu: 20Mg: 40Al, and 50Co: 25Ba: 25Ti precursors were prepared. After thermal treatment in H2, the formation of MT NPs (Ni, Cu, or Co) and the corresponding MAEAl2O4 (BaAl2O4, MgAl2O4 or BaTiO3) can be confirmed by the characteristic XRD patterns (Figs. 33b, 34b, and 35b) . STEM and energy dispersive X-ray (EDX) mapping clearly visualize the encapsulation structures of Ni@BaAl2O4, Cu@MgAl2O4, and Co@BaTiO3, respectively, with the well-rounded alkali metal aluminates or an alkaline earth metal aluminates overlayer in close contact with the MT NPs (Fig. 4e) . The encapsulated MT NPs show relatively uniform size distributions in the range of 4-8, 20-30, and 24-40 nm, for Ni, Cu, and Co, respectively, in line with the crystal size derived from XRD results (Figs. 33c, 34c, 35c, and 54) .
Depending on the choice first metal oxide, first encapsulating material, second encapsulating material, stoichiometries, and reaction conditions the average size of the thus produced core-shell nanoparticles can range from 1-500 nm, 1-400 nm, 1-300 nm, 1-200 nm, 1-100 nm, 1-90 nm, 1-80 nm, 1-70 nm, 1-60 nm, 1-50 nm, 1-40 nm, 1-30 nm, 1-30 nm, 1-20 nm, 5-20 nm, 10-20 nm, 10-15 nm, 10-40 nm, 20-40 nm, 20-30 nm, or 1-10 nm. In certain embodiments, the core-shell nanoparticles have an average size of about 10 to about 15 nm, about 4 to about 8, about 20 to about 30, and about 24 to about 40 nm.
The reaction of the first metal oxide, the first encapsulating material, and the second encapsulating material with hydrogen gas can be conducted autogenic pressure, i.e., pressure generated as a result of heating in a closed system. Alternatively or additionally, the pressure can be applied externally, e.g., by mechanical means. In certain embodiments, the step of heating the reaction solution is conducted at a pressure of 0.1 to 10 MPa or 0.1 to 1 MPa.
To take full advantage of the high reactivity of the low-TTam MAECO3, it was proposed to further functionalize the BaCO3 overlayer during the Co NP formation. Considering alkali metal aluminates or an alkaline earth metal aluminates (i.e., (MAExAlyOz) are classic catalyst support materials with high thermal resistance, good hydrothermal stability, and prominent  interactions with the active species, it was attempted to introduce Al2O3 into the encapsulation system to engineer the overlayer functionalization (Fig. 2a) . By employing rapid computational sorting of the formation energies of different aluminate products from the solid-state reaction between BaCO3 and Al2O3 (Fig. 2b and Fig. 13) , the most suitable overlayer aluminate composition was idenfitied to be BaAl2O4, and the more stable BaAl4O7 and Ba7Al64O103 were rejected, because they require harsh synthesis conditions (> 1100 ℃) .
To realize Co NP formation, BaCO3 encapsulation, and BaAl2O4 formation in a single thermal treatment, the process began with mixing the Co, Ba and Al metal precursors with a composition of 40Co: 20Ba: 40Al through an automatically pH-controlled co-precipitation method, followed by temperature-and flow-controlled air-calcination (Fig. 5) . After the thermal treatment in H2, the formation of Co NPs and BaAl2O4 can be confirmed by the characteristic X-ray diffraction (XRD) patterns (Fig. 14a) . Scanning transmission electron microscopy (STEM) and energy dispersive X-ray (EDX) mapping (Fig. 2c) clearly show the encapsulation structure with the well-rounded BaAl2O4 overlayer in close contact with the Co NPs. The encapsulated Co NPs show relatively uniform size distributions in the range of 10-15 nm, in line with the crystal size derived from XRD (Fig. 14b and Fig. 39) . Transmission electron microscopy (TEM) images and corresponding FFT patterns of Co@BaAl2O4 reveal the fcc Co and BaAl2O4 lattice fringes (Fig. 15) , which is fully consistent with the Co K-edge and Ba L3-edge extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) (Fig. 2d, Figs. 16-17, and Figs. 40-43) and the synchrotron X-ray diffraction (SXRD) results (Fig. 2e) .
Interestingly, noticeable oxygen vacancies in the BaAl2O4 overlayer of Co@BaAl2O4 can be detected by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy (Figs. 18a-18b) . In addition, Ar adsorption-desorption analyses reveals the porous structure of Co@BaAl2O4 (Figs. 18c-18d) , presumably due to the presence of oxygen vacancies when synthesizing BaAl2O4 under H2 environment. This porous feature is particularly important for catalysis as they impart the good permeability of core@shell  structure for the reactant molecules to access the active metal core while maintaining high stability from encapsulation.
It is important to note that the observed Co@BaAl2O4 encapsulation cannot be realized by direct synthesis using BaAl2O4 (see details in Fig. 19 and Fig. 44) , reflecting the necessity of employing low TTam BaCO3 for our proposed SMSI encapsulation process.
Real-time observation and mechanism study for the encapsulation
The Co@BaAl2O4 synthesis process is further investigated to explore the encapsulation formation pathway and mechanism. Starting with the 40Co: 20Ba: 40Al precursor, the elemental composition analyses indicate a similar atomic ratio of Co, Ba, and Al at c. a. 2: 1: 2 at different stages of the synthesis process (i.e., as-precipitated, as-calcined, and thermally treated in H2, Fig. 20 and Fig. 45) . Yet distinct morphologies are revealed by TEM, where the encapsulation is only formed after the thermal treatment in H2 (Fig. 21) . Direct real-time visualization of the encapsulation process during the H2 thermal treatment is then conducted using in-situ atmospheric STEM equipped with an environmental cell (see Fig. 8 for experiment setup and details) . At 25 ℃, the calcined precursor is initially a mixture of plate-like Co3O4 and rod-like Al2O3 NPs in contact with much larger bulk of BaCO3 (Fig. 22) . STEM image indicates a clear boundary between the dark Co3O4-Al2O3 mixture and the bright BaCO3 bulk particle (Fig. 3a) . When the temperature is ramped to above 400 ℃ (Fig. 3b the boundary of the BaCO3 particle blurs and some darker pores (marked by dashed circles) appear in the interior, which can be attributed to the increased lattice mobility and subsequent outward diffusion as evidenced by the boundary propagation (the dotted lines) . Raising the temperature to 500 ℃ leads to more obvious diffusion of BaCO3 with dark pores growing inside, agreeing well with the expanding Ba element distribution observed from EDX elemental mapping (Figs. 23a-23b) . In contrast, no obvious morphology change is observed in the Co/Al-containing area until the bright spheres emerge at 600 ℃ and become more identifiable at 700 ℃ (Fig. 3c) , indicating the in-situ formation of Co NPs from reducing Co3O4. The Co NPs are surrounded  by highly mobile or liquified BaCO3, forming the initial encapsulation. When the cell is heated from 700 to 800 ℃, a dynamic reaction can be seen with BaCO3 decomposition at the expense of the Al2O3 rods in proximity, implying the solid-state formation of the functional BaAl2O4 overlayer (Fig. 3d, Fig. 23c) , as confirmed by selected area electron diffraction (SAED) (Fig. 23d) . The observed morphology evolution is summarized in Fig. 3e, in full accordance with our proposed SMSI-induced encapsulation strategy guided by Tammann temperature.
To better grasp the morphology evolution during the H2 thermal treatment, starting morphology of the mix-metal precursor C (500) -40Co: 20Ba: 40Al before H2 thermal treatment was characterised by TEM. As shown in Fig. 22a, before H2 thermal treatment, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al is initially a mixture of plate-like Co3O4 and rod-like Al2O3 NPs, in contact with much larger bulk BaCO3. A clear boundary is observed between the Co/Al-containing and Ba-containing areas. High-resolution TEM image and corresponding FFT shown in Fig. 22b reveal the polycrystalline nature of BaCO3 structure, consistent with the abovementioned XRD results (Fig. 14a) . The high-resolution TEM image shown in Fig. 22c demonstrates that Al2O3 is in rod-like morphology and Co3O4 is in plate-like morphology, whose (220) lattice fringes are marked in Fig. 22d.
Fig. 16 shows the XANES features of the samples at different stages of the synthesis process (i.e., as-precipitated, as-calcined, and thermally treated in H2) . Before H2 thermal treatment, the C (500) -40Co: 20Ba: 40Al shows a much higher white-line (WL) intensity compared to standard Co foil. After H2 thermal treatment, the XANES profile for C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al shifts to lower energy compared to C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, becoming similar to the Co foil standard. These results indicate the formation of metallic Co from Co3O4 reduction during H2 thermal treatment. Fig. 16b shows the Fourier transforms (FT) magnitude of the Co K-edge EXAFS for the samples at different stages of the synthesis process, along with the Co foil for comparison purpose. The FT magnitude peak atattributing to Co-Co only exists in C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al while being absent in 40Co: 20Ba: 40Al  and C (500) -40Co: 20Ba: 40Al. These results prove that Co NPs can only be formed after the H2 thermal treatment. As shown in Fig. 16c and Fig. 40, the EXAFS spectrum of C (500) -40Co: 20Ba: 40Al can be well-fitted with three groups of paths, corresponding to Co-O (coordination numbers, CN = 4.3) atCo-Co (CN = 2.0) atand Co-Co/O at which agrees well the theoretical Co3O4 model (Fig. 41) . In addition, the EXAFS spectrum of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al can be well-fitted using only the Co-Co path, proving the sole existence of metallic Co for Co species after H2 thermal treatment (Fig. 16d and 40) .
The change of the local structures of the absorbing Co atoms can be observed more intuitively from wavelet transform (WT) representations of the Co K-edge EXAFS signals. It can be clearly observed that C (500) -40Co: 20Ba: 40Al has an entirely consistent spectrum with the theoretical Co3O4 model (Figs. 12e and 16g) , whereas C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al has an entirely consistent spectrum with Co foil (Figs. 16f and 16h) , indicating the reduction of Co3O4 to Co metal during the H2 thermal treatment. This result is consistent with the structural changes observed from the above XRD results (Fig. 14a) .
Fig. 17a shows the Ba L3-edge XANES spectra of 40Co: 20Ba: 40Al, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, and C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al. It can be observed that the edge positions remain unchanged between the three samples, indicating the Ba valence does not change much after air calcination and H2 thermal treatment. In addition, the Ba L3-edge XANES spectrum of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al shows a distinctive peak between 5250 and 5285 eV (Fig. 17a) , in line with the reported XANES features of BaAl2O4 structure. As et al. reported, distinct differences between pure BaAl2O4 and pure BaCO3 spectra are visible in the energy range between 5250 and 5270 eV, i.e., BaCO3 has an absorption minimum at about 5255 eV and 5264 eV, where BaAl2O4 features a visible stronger intensity in this energy range. As can be seen in this comparison, the Ba L3-edge XANES spectrum for 40Co: 20Ba: 40Al and C (500) -40Co: 20Ba: 40Al samples follow the spectrum of the pure BaCO3  sample, while C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al follows that of BaAl2O4. This observation is consistent with the phase transformation observed from the XRD results of the samples in different stages (Fig. 14a) .
From the Ba L3-edge EXAFS spectrum at R space, it can be observed that the spectra of 40Co: 20Ba: 40Al and C (500) -40Co: 20Ba: 40Al are similar but much different from C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al (Fig. 14b) . Ba L3-edge EXAFS fitting was further conducted to identify the Ba local structures. The EXAFS spectra of 40Co: 20Ba: 40Al and C (500) -40Co: 20Ba: 40Al samples can be fitted well using the theoretical BaCO3 model, with ΔR ≤ 0.1 nm and R-factor < 2% (Figs. 14c-14d, Figs. 42-43) . And the EXAFS spectrum of C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al can be well-fitted using the theoretical BaAl2O4 model (Fig. 17e, Figs. 42-43) .
The structure change can be observed more intuitively from Ba L3-edge WT EXAFS. It can be clearly seen that 40Co: 20Ba: 40Al and C (500) -40Co: 20Ba: 40Al samples have entirely consistent spectra with the theoretical BaCO3 model (Figs. 17f, 17g, and 17i) . In contrast, the sample C (500) -R (700) -40Co: 20Ba: 40Al has a consistent spectrum with the theoretical BaAl2O4 model (Fig. 17h and 17j) , indicating the phase evolution from BaCO3 to BaAl2O4 during H2 thermal treatment. This result is consistent with the structural changes observed from the above XRD results (Fig. 17a) .
XRD and in-situ Raman spectroscopy equipped with online MS (see details in Fig. 7) are also employed to supplement the real-time phase evolution and the solid-state reactions. At the initial stage, typical XRD patterns of BaCO3 and Co3O4 are recorded (Fig. 3f) , with the absence of Al2O3 fingerprint peaks, presumably overwhelmed by the signals of Co3O4 or the nano crystallinity of gamma phase Al2O3 (Fig. 22d) . As the temperature of thermal treatment increases to 400 ℃, the characteristic peaks of Co3O4 at 31.27° and 36.84° fade with the simultaneous appearance of two new peaks at 44.22° and 51.52°, which can be assigned to the fcc Co. At 700 ℃, the characteristic diffraction signal of BaCO3 is replaced by that of BaAl2O4,  indicating the completion of the solid-state reaction between BaCO3 and Al2O3. Similarly, in-situ Raman spectroscopy reveals the gradual disappearance of Co3O4 fingerprints around ~490, ~525, ~610, and ~690 cm-1 before 400 ℃, and the replacement of BaCO3 fingerprints around ~139, ~698, and ~1060 cm-1 by those of BaAl2O4 around ~193, ~271, ~491, ~581, and ~680 cm-1 at 700 ℃ (Fig. 3g) . Online MS is used to monitor the outlet gas during the thermal treatment under H2 flow. It can be observed that Co3O4 is reduced during 300 -500 ℃, with H2 consumed and H2O released. As the temperature is further increased to 700 ℃, both CO and H2O peaks rise rapidly while consuming H2, which is consistent with the solid-state reaction between BaCO3 and Al2O3. In other words, these results echo the observed phase change process in the in-situ STEM. Note that the discrepancies in some phase changing temperature recorded by different characterization techniques are due to the distinct in-situ conditions, which does not affect the trend of the identified phase evolution and encapsulation mechanism.
All the evidence collectively indicates that (i) low TTam BaCO3 exhibits sufficient mobility and can migrate onto the in-situ formed Co NPs, and (ii) BaCO3 could readily react with Al2O3 to form BaAl2O4 as the final encapsulation overlayer (i.e., BaCO3 + Al2O3 + H2 →BaAl2O4 + CO + H2O) , thanks to the high reactivity of low-TTam BaCO3 in the H2 atmosphere at a higher temperature. As a result, the complete encapsulation is realized on the Co NP surface with BaAl2O4 by forming a well-defined core@shell configuration.
The encapsulated nanocatalyst enables excellent catalytic performance
To assess the impact of BaAl2O4 encapsulation on the catalytic performance of the Co NPs at high temperatures, a series of Co nanocatalysts, both with and without encapsulation, are evaluated for their performance in thermal catalytic NH3 decomposition reaction. Typically, this reaction requires a temperature of approximately 650 -800 ℃ for non-noble metal catalysts to achieve an NH3 conversion of over 80%without sacrificing the weight hourly space velocity (WHSV) . Surprisingly, the Co@BaAl2O4 achieves almost complete conversion (~99%)  at a much lower temperature of only 500 ℃, at a high WHSV of 30,000 mL gcat -1 h-1 (Fig. 26 and Fig. 46) , making it the best core@shell catalysts ever reported for NH3 decomposition (Fig. 4a) . Compared to the state-of-the-art NH3 decomposition catalysts, the encapsulated Co@BaAl2O4 also represents one of the most effective catalysts in both Ru-based and non-noble catalysts records (Fig. 27 and Fig. 47) .
The most significant benefit of the core@shell catalyst configuration is demonstrated in long-term performance evaluation. After 50 hours of time-on-stream at 550 ℃, the H2 production of the non-encapsulated catalysts, Co NPs supported on Al2O3 (Co/Al2O3) and on BaAl2O4 (synthesis details see Fig. 19) , significantly decreases, indicating poor long-term activity due to the severe sintering of Co particles in high-temperature reaction condition (Figs. 4b 4c, Figs. 28-29 and 48-49) . In sharp contrast, the Co@BaAl2O4 nanocatalyst maintains a constantly high H2 production rate over 600 hours under identical testing condition (Fig. 4b) . No significant change in morphology is observed for the post-reaction Co@BaAl2O4 (Fig. 4d, Figs. 30, and Fig. 50) , indicating its superior thermochemical stability due to the advantageous core@shell structure. The EXAFS of the post-reaction Co@BaAl2O4 reveals the distinct Co and BaAl2O4 phases (Fig. 30, 51, and 52) , suggesting no migration of Co species at the metal-support interfaces during the long-term testing. Remarkably, over a five-month-long experiment, the activity of Co@BaAl2O4 does not decrease despite intentional temperature fluctuations, system ONs/OFFs, and catalyst offload/reload events (Fig. 31) , demonstrating its excellent environmental tolerance and reusability for practical applications.
Furthermore, Co@BaAl2O4 demonstrates promising outcomes in the CH4 dry-reforming reaction, which typically requires even higher temperatures (> 750 ℃) . As shown in Fig. 32, Co@BaAl2O4 achieves the CH4 and CO2 conversion rates of 81.8%and 90.1%, respectively, nearing the thermodynamic equilibrium value and sustaining the performance for over 60 hours. In comparison to the benchmark catalysts reported in literature (Fig. 53) , the high efficiency and excellent stability identify Co@BaAl2O4 as a promising catalyst for the  CH4 dry-reforming reaction. These results jointly manifest that our new encapsulation strategy not only effectively stabilizes the nanocatalyst against the common sintering issue but also provides further opportunities to modify the performance for good catalytic applicability. Currently, the origin of the exceptional performance of Co@BaAl2O4 in the above-mentioned thermal catalytic reactions is under careful investigation, with a focus on the notable synergistic effects of metal–support interfaces in the core@shell structure.
A core@shell catalyst design and synthesis platform with broad applicability
It was successfully demonstrated that low-TTam compounds can facilitate thermal-induced SMSI core@shell construction, and subsequent solid-state reactions for overlayer functionalization enable thermal catalytic applicability. Furthermore, to showcase the general applicability of our proposed approach, other MT and MAECO3 combinations in the encapsulable window (shadowed in Fig. 1b) were tested. The results have validated the effectiveness of our thermal encapsulation and sintering prevention strategy guided by Tammann temperature (Fig. 4e, Figs. 33-34, and Fig. 54) . More convincingly, the replacement of Al2O3 with TiO2 for the overlayer solid-state reaction enables us to achieve BaTiO3 encapsulation on Co NPs (Fig. 4e, Fig. 35, and Fig. 54) , demonstrating the broad applicability of our strategy across various material matrices.
All these results demonstrate the potential of the Tammann temperature-guided SMSI strategy as a design and synthesis platform for the facile encapsulation of MT NPs. The tunability of both MT core and functional oxide overlayer shows promise for fine-tuning the performance of encapsulated nanocatalysts. It is anticipated that other low-TTam metal compounds, such as chloride, sulfate, nitrate, etc., can also be applied to construct size-controlled encapsulation structures for different transition metal NPs, either from in-situ reduction or pre-made metal NPs. Computational calculations can assist with rapid composition selections from a broad material matrix for overlayer solid-state reactions, thus unlocking a wide range of possibilities for metal oxides (or non-oxides) to act as NP  protectors/modifiers. Overall, this novel thermal encapsulation methodology enables future explorations and predictions for rational and dynamic tuning of nanocatalysts to meet diverse requirements in broad energy and environmental applications.
Examples
Materials and Instruments
Iron nitrate nonahydrate (Fe (NO33·9H2O, 99.0%) , cobalt nitrate hexahydrate (Co (NO32·6H2O, 99.0%) , nickel nitrate hexahydrate (Ni (NO32·6H2O, 99.0%) , copper nitrate (Cu (NO32, 99.0%) , magnesium carbonate (MgCO3, AR) , calcium carbonate (CaCO3, AR) , strontium carbonate (SrCO3, AR) , barium carbonate anhydrous (BaCO3, AR) , sodium carbonate (NaCO3, 99.0%) and sodium hydroxide (NaOH, 96.0%) were purchased from Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., Ltd. Barium nitrate (Ba (NO32, 99.0%) and aluminium nitrate nonahydrate (Al (NO33·9H2O, 99.0%) were purchased from Sigma-Aldrich. Nano iron oxide (Fe2O3, 99.0%) , nano cobalt oxide (Co3O4, 99.0%) , nano nickel oxide (NiO, 99%) and nano copper oxide (CuO, 99%) were purchased from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. All chemicals with analytical-grade purity were used directly without further treatment unless otherwise noted. All solutions were prepared with deionized (DI) water. Anhydrous grade ammonia (NH3, ≥99.99%) and H2/Ar (v/v, 5/95) were purchased from Scientific Gas Engineering Co., Ltd.
Precursors coprecipitation synthesis methods and thermal treatment
The precursor mixture, mMT: nMAE: 2nAl, was synthesized by an automatic pH controlled co-precipitation method. For a typical preparation procedure, an aqueous solution that contained MT m+, MAE 2+ and Al3+ with target molar ratios was prepared by dissolving the corresponding metal nitrates in aqueous solution. At room temperature, it was added dropwise into a stirred tank reactor (capacity of 500 mL-2L) with a 0.5 M NaCO3 solution under feeding rates of 0.1-2.0 mL min-1 regulated by a syringe pump. The mixture was stirred vigorously to ensure efficient mixing, while the pH of the precipitating solution was carefully maintained at  a constant by dropwise addition of a 4.0 M NaOH solution using another syringe pump. The pH of the solution is maintained lower than the precipitation pKsp of MAE (OH) 2, thereby favoring theformation of MAECO3 rather than MAE (OH) 2 precipitates. The pKsp of Ba (OH) 2 is 12.9 and Mg (OH) 2 is 10.10. Once the premeasured amount of solutions was added into the tank, the liquid was aged for 16 h, then the mixture was filtered and washed with DI water until the pH was close to 7.0. The obtained wet cake solid sample was re-dispersed in 200 mL acetone and stirred at room temperature for 2 h. Then, the resultant solid was vacuum filtered, washed thoroughly with acetone and dried overnight in a vacuum oven at room temperature. The precursors were named by their nominal mixed-metal ratios, denoted as mMT: nMAE: 2nAl, wherein m and n represent the nominal molar ratios of MT and MAE in the co-precipitation process, respectively. After getting the mMT: nMAE: 2nAl precipitate, it was calcined in air (denoted as C (temp. ) -mMT: nMAE: 2nAl) and treated in H2/Ar (v/v, 5/95, 160 mL min-1 per 50 mg samples) at specified temperatures to finally form the possible encapsulation structure, denoted as C (temp. ) -R (temp. ) -mMT: nMAE: 2nAl (To intuitively indicate the sample structure via sample name, if the final sample had a core-shell structure, it is also denoted as MT@MAEAl2O4. C (temp. ) and R (temp. ) to indicate the air-calcination and H2 treatment processes, and the highest temperature (℃) reached in each process is listed in the brackets. Fig. 5 depicts a schematic representation of the steps involved in above synthesis process.
Measurement of MAECO3 decomposition temperature (Tdec)
Temperature-programmed decomposition measurements of commercial alkali metal carbonates or alkaline earth metal carbonates (MAECO3, MAE = Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, etc) were conducted using a tube furnace (GSL-1100X, Kejing) combined with a quadrupole mass spectrometer (MS, HPR-20 EGA, Hiden) . Inside the quartz tube, c. a. 50 mg of the MAECO3 sample was sandwiched between two layers of quartz wool with a thermocouple in contact with the sample. The quartz tube was then inserted into the tube furnace for argon (Ar) pretreatment, with the Ar flow rate of 10 mL min-1. The temperature was raised from 25 to  50 ℃ with a ramp rate of 5 ℃ min-1, then held at 50 ℃ for 30 min. The Ar pretreatment cleaned the catalyst surface by removing adsorbed ambient gas molecules. After the pretreatment, to decompose MAECO3, H2/Ar (5/95, v/v) gas flowed through the quartz tube with the flow rate of 10 mL min-1, and the temperature was raised from 25 to 800 ℃ (950 ℃ for BaCO3) with a ramp rate of 5 ℃ min-1. The outlet gas products, including H2O (m/z = 18) , CO (m/z = 28) and CO2 (m/z = 44) , were recorded by MS as a function of temperature.
Measurement of MTOx reduction temperature (Tred)
Temperature-programmed reduction measurements of nanosized commercial metal oxides (MTOx, MT = Fe, Co, Ni, Cu) were conducted using a tube furnace (GSL-1100X, Kejing) combined with a quadrupole MS (HPR-20 EGA, Hiden) . Inside the quartz tube, c. a. 50 mg of the MTOx sample was sandwiched between two layers of quartz wool with a thermocouple in contact with the sample. The quartz tube was inserted into the tube furnace for Ar pretreatment, with the Ar flow rate of 10 mL min-1. The temperature was raised from 25 to 50 ℃ with a ramp rate of 5 ℃ min-1, then held at 50 ℃ for 30 min. The Ar pretreatment cleaned the catalyst surface by removing adsorbed ambient gas molecules. After the pretreatment, to reduce MTOx, H2/Ar (5/95, v/v) gas flowed through the quartz tube with the flow rate of 10 mL min-1, and the temperature was raised from 25 to 800 ℃ (950 ℃ for Fe2O3) with a ramp rate of 5 ℃ min-1. MTOx was reduced to MT NPs, with H2O produced during the heating treatment. The gas product H2O (m/z = 18) were recorded by MS as a function of temperature.
Theoretical estimation of solid-state reaction energy
Reaction energies for forming different alkali metal aluminates or alkaline earth metal aluminates (MAEAl2O4) from MAECO3 and Al2O3 were estimated using the reaction calculator module in the Materials Project. Details can be found in the descriptions of Fig. 13.
Material characterisations
X-ray diffraction (XRD) Phases and crystallographic structures of mentioned samples were characterised by powder X-ray diffraction (XRD) using a parallel-beam XRD  instrument (Rigaku SmartLab 9kW -Advance, with Cu Kα of wavelength) . For the measurements of the reduced and post-reaction samples, the samples were protected in the reaction tube with both ends sealed using closed ball valves, and were directly transferred into the inert gas glove box. In the inert gas glove box, the samples were taken from the reaction tube and loaded into a quartz holder, which was then covered by Kapton film (Fig. 6) . In this air-tight XRD holder, the air-sensitive samples were kept isolated from the air and can be directly measured by the XRD facility.
The crystallite size (D) was estimated by XRD using the Debye-Scherrer equation where k is the shape coefficient for the reciprocal lattice point and shape coefficient for crystal in the direct space (k = 0.9) , λ is the wavelength of the incident radiation, β is the full width at half-maximum (FWHM) of the peak, and θ is the Bragg angle.
Synchrotron X-ray diffraction (SXRD) SXRD patterns were collected using the Powder Diffraction (PD) beamline at the Australian Synchrotron (AS) , which was set to provide a photon energy of 21.0005 keVEach capillary was mounted on a crystallographic goniometer head and rotated at 15 rpm. Patterns were measured using Debye-Scherrer geometry with a goniometer diameter = 152 cm, over the 2θ range of 1.01398° to 80.8344° and with an effective step size of 0.00375°. The SXRD incident and diffracted beams were fully polarized.
Each sample was measured twice using 450 seconds acquisitions, with the Mythen detector being off-set by 0.5° for the second data acquisition. The two off-set patterns were merged using the program PDViPeR. An additional pattern was measured for a NIST SRM-660b LaB6 powder under the same conditions to determine the instrument wavelength, the 2θ0 correction and the instrument FWHM widths for the Bragg peaks.
The diffraction patterns were analysed by Rietveld refinement methods based on TOPAS (V6) to obtain structural details. The Thompson-Cox-Hastings pseudo-Voigt peak  function was applied to describe the diffraction peaks. The scale factor and lattice parameters were allowed to refine for all the diffraction patterns. The quality of the Rietveld refinements of synchrotron data has been assured with a low goodness-of-fit (GoF) factor, a low weighted profile factor (Rwp) and a well-fitted pattern with an acceptable temperature factor (Beq) within experimental errors.
Transmission electron microscopy (TEM) The microstructure and phase information of the samples were characterised by scanning transmission electron microscopy (STEM) in high angle annular dark field (HAADF) mode and transmission electron microscopy (TEM) , using double-Cs-corrected STEM (Spectra 300, TFS, USA) equipped with Super-X energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and STEM/TEM (JEM-2100F, JEOL, Japan) combined with a Gatan Enfina electron spectrometer (USA) . TEM samples were prepared by sonicating a suitable amount of material in 1 mL ethanol for 180 seconds before the dropwise addition of the solution onto the copper grids. For the reduced and post-reaction samples, the samples were protected in the reaction tube with both ends sealed using closed ball valves and were directly transferred into the inert gas glove box, where the samples can be extracted from the reaction tube and dispersed in ethanol solution for further deposition onto copper grids.
Scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray analyses (SEM-EDX) Scanning electron microscopy (SEM) images were recorded on a Tescan VEGA3 Model GMH microscope at an accelerating voltage of 5 kV. The atomic ratios for metal elements including Co, Ba, and Al of mentioned samples were measured by EDX.
Electron paramagnetic resonance (EPR) The electron paramagnetic resonance (EPR) analyses was performed by a Bruker EMX Plus spectrometer equipped with a dual-mode cavity (ER 4116DM) . The microwave frequency and power were 9.83 GHz and 3.17 mW, respectively. The weight of the sample was 50.0 mg.
X-ray absorption fine structure (XAFS) X-ray absorption fine structure (XAFS) measurements were performed in fluorescence mode using a Lytel detector at beamline BL01C of Taiwan Light Source, National Synchrotron Radiation Research Center (NSRRC) . A Si (111) double crystal monochromator (DCM) was used to scan the photon energy. To ascertain the reproducibility of the experimental data, at least two scans were collected and compared for each sample. X-ray absorption near edge structure (XANES) data were background-subtracted and normalised using the AUTOBK routine in Athena software. Quantitative information on the radial distribution of neighbouring atoms surrounding Co and Ba atoms was derived from the extended absorption fine structure (EXAFS) data. An established data reduction method was used to extract the EXAFS χ-functions from the raw experimental data using the IFEFFIT software. For the wavelet transform, k3-weighted EXAFS spectra were used. The Morlet wavelet mother function was used for the wavelet transform (WT) of all spectra within the k-range offor Co K-edge andfor Ba L3-edge, respectively. The selection of this wavelet was governed by the fast oscillatory part localised in a Gaussian envelope, making its real and imaginary parts similar to an EXAFS spectrum.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) experiments were carried out using a Thermo Scientific Nexsa instrument. The instrument was equipped with an electron flood and scanning ion gun. The adventitious carbonaceous C1 s line (284.8 eV) was used to calibrate the binding energy (BE) . The XPS spectra were deconvoluted using Gaussian-Lorentzian functions after the Shirley background subtraction, with the integrated peak areas being used to estimate the surface chemical compositions.
In-situ Raman Spectroscopy During a typical in-situ Raman measurement, c. a. 5 mg samples were loaded into the in-situ Raman cell, with H2/Ar (5/95, v/v) passing through the samples. A series of Raman spectra were obtained at different temperatures, from room temperature to 700 ℃ with an interval of 50 ℃, to investigate the phase transformation during the H2 thermal treatment process. Each temperature was set dwelling for 40 min, and the spectra  were collected at the 30th min to get a steady state. In-situ Raman spectra were recorded on a WITEC confocal microscopy system with a laser diode at 532 nm. A 50× objective lens was used to focus the laser on the sample, and the laser spot size was 1 μm. The Raman measurements were performed under an accumulation time of 60 s and an accumulation number of 10 times by illuminating 3 mW laser power. Fig. 11 shows the in-situ Raman setup. Equipped with a quadrupole MS (HPR-20 EGA, Hiden) , the composition and concentration of the outlet gas were analysed, with H2 (m/z = 2) , H2O (m/z = 18) and CO (m/z = 28) recorded as a function of temperature.
In-situ STEM Direct visualisation of the encapsulation process of Co@BaAl2O4 was achieved using the in-situ atmospheric STEM study (JEOL JEM-2100F) . During the in-situ STEM observation, a Protochips atmosphere gas holder was applied (Fig. 8a) , in which the flowing gas can be injected, and the temperature can be controlled. In this experiment: 380 Torr H2/N2 (5/5, v/v) with 0.1 mL/min flow rate were used, and the temperature was set from 25 to 800 ℃.
The effect of the electron beam was carefully evaluated by comparing the sample state in the observation region with that out of the observation region. The initial precursor, C (500) -40Co: 20Ba: 40Al, was firstly prepared on the bottom cell and characterised by STEM and EDX before heating the in-situ cell. The bottom cell was then assembled in the in-situ holder, followed by injecting an H2/N2 mixture gas into it. The temperature was gradually increased to 300, 400, 500, 600, 700, and 800 ℃ at a rate of 20 ℃/min. Each target temperature was kept for 30 min for a thorough reaction. Fig. 8 shows the in-situ STEM setup. The introduction of gas into the vacuum environment of the TEM is made possible by injecting and sealing the gas in the space between two windowed silicon slabs (the E-chips product from Protochips, shown in Fig. 8b) . The windowed slabs have notches near their centres and are covered with amorphous silicon nitride thin films of thickness 80 nm that serve as windows.
NH3 decomposition performance testing method and setup
Fig. 9 is the schematic of the NH3 decomposition performance testing setup. To measure the catalytic NH3 decomposition performance of designed catalysts, inside a quartz tube (diameter of 4.5 mm) , c. a. 50 mg sieved (45-80 mesh) sample was sandwiched between two layers of quartz wool with a thermocouple placed in contact with the sample. Then high-purity NH3 (≥ 99.99%) was passed through the catalyst bed with the flow rate controlled by a mass flow controller. The weight hourly space velocity (WHSV) was set as 30,000 mL gcat -1 h- 1 at atmospheric pressure. The concentrations of outlet N2, H2 and NH3 after the reaction were measured online by MS (HPR-20 EGA, Hiden) , which was equipped with a quadrupole probe and a secondary electron multiplier detector (850 eV) . The accuracy of product analyses was further verified by back titration (Fig. 25B) . The measured temperatures range from 450 to 650 ℃ with 50 ℃ as an interval, and a steady state was reached by maintaining each temperature for 60 min.
The NH3 conversion was calculated using the following Eq. 1
where [NH3inlet and [NH3outlet refer to the measured concentrations of NH3 fed into and flowing out of the reactor.
The H2 production rate, with the unit of mmol H2 gcat -1 min-1, was calculated from the NH3 conversion (XNH3) by the Eq. 2 below:
where WHSV is the weight hourly space velocity (30,000 mL gcat -1 h-1) , XNH3 is the conversion of NH3, and Vm is the molar volume of gas at 25 ℃ and 1 atm (24 mL mmol-1) .
To verify the reliability of the performance testing equipment, two benchmark catalysts were synthesised following the reported methods, those are Ru/MgO by polyol method and Ru/Al2O3 by co-precipitation method. Their NH3 decomposition performances were tested using our equipment at 500 to 650 ℃ and WHSV of 30,000 mL gcat -1 h-1. The obtained result was compared to the reported values. As shown in Fig. 25a, our measured NH3 conversions are almost the same as those reported in the literature, indicating that our performance testing equipment is reliable. In addition, to guarantee the accuracy of the reaction product analyses method, both MS analyses and back titration experiment were applied to analyse the NH3 content in the outlet gas (Fig. 25b) . The experimental details of back titration analyses have been reported in our previous studies. It can be observed that the results of the two analytical methods are consistent, only with a tiny difference of less than 3%in NH3 conversion, hence confirming the accuracy of our analyses method for reaction product compositions.
Methane dry reforming performance testing
Catalytic methane (CH4) dry reforming activity testing was performed under atmospheric pressure in a fixed-bed quartz reactor (5 mm inner diameter) . Before each reaction, 100 mg of catalyst was placed in the reactor tube between quartz wool plugs and reduced in situ at 700 ℃ under flowing H2/Ar (5/95, v/v, 60 mL min-1) for 2.5 h. Dry reforming of CH4 was then undertaken at 750 ℃ using a mixture of CO2/CH4 in Ar (45/45/10, v/v/v, 53 mL min- 1 total flow rate) to generate a weight hourly space velocity (WHSV) of 31, 765 mL gcat -1 h-1. Reactant and product concentrations were analysed online by a MS (QGA, Hiden) equipped with a quadrupole probe and a secondary electron multiplier detector. CH4 and CO2 conversions were calculated respectively according to the following Eqs. 3 and 4:

Where [CH4] and [CO2] are the respective mole fractions of CH4 and CO2 in the stream, and Finlet and Foutlet represent the total gas flow rate (mL min-1) of the inlet and outlet, respectively.
The selectivity of H2 and CO are presented by the following Eqs. 5 and 6:

Claims (20)

  1. A method of preparing core-shell nanoparticles, the method comprising: contacting a mixture comprising a first metal oxide, a first encapsulating material comprising an alkali metal or an alkaline earth metal, and a second encapsulating material comprising a second metal oxide with hydrogen gas at a temperature higher than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide and lower than the decomposition temperature of the first encapsulating material resulting in the reduction the first metal oxide and the formation of metal nanoparticles that are at least partially encapsulated with a bimetallic oxide comprising the alkali metal or the alkaline earth metal and the second metal oxide thereby forming the core-shell nanoparticles, wherein the Tammann temperature of the first encapsulating material is lower than the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide.
  2. The method of claim 1 further comprising providing screening data of changes in enthalpy of possible reaction products of a reaction of a candidate first metal oxide, a candidate first encapsulating material, a candidate second encapsulating material, and hydrogen gas; and selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the screening data and the decomposition temperature of the candidate first encapsulating material.
  3. The method of claim 2, wherein the screening data is generated using a computer.
  4. The method of claim 1 further comprising selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide; the decomposition temperature of the first encapsulating material and the Tammann temperature of the first encapsulating material.
  5. The method of claim 1, wherein the first metal oxide comprises a metal selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, Sn, Pt, Ru, Pd, W, Ir, Os, Rh, Nb, Ta, Pb, Bi, Au, Ag, Sc, and Y.
  6. The method of claim 1, wherein the first metal oxide is selected from the group consisting of CoO3, Co3O4, CoO, CuO, Cu2O, NiO, Ni2O3, Ag2O, AgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, ZnO, PdO, PdO2, PtO, and PtO2.
  7. The method of claim 1, wherein the first encapsulating material comprises an alkali metal or an alkaline earth metal salt comprising one or more anions selected from the group consisting of carbonate, sulfate, nitrate, chloride, phosphate, and acetylacetonate.
  8. The method of claim 1, wherein the first encapsulating material comprises CaCO3, MgCO3, SrCO3, BaCO3, NaCl, KCl, RbCl, Na2CO3, K2CO3, or Rb2CO3.
  9. The method of claim 1, wherein the second metal oxide comprises Al2O3, TiO2, silica, Ga2O3, In2O3, ZrO2, or a mixture thereof.
  10. The method of claim 8, wherein the first metal oxide is selected from the group consisting of CoO3, Co3O4, CuO, Cu2O, NiO, Ni2O3, Ag2O, AgO, FeO, Fe2O3, Fe3O4, ZnO, PdO, PdO2, PtO, and PtO2.
  11. The method of claim 1, wherein the bimetallic oxide comprises MgAl2O4, CaAl2O4, SrAl2O4, BaAl2O4, MgTiO3, CaTiO3, SrTiO3, BaTiO3, MgGa2O4, CaGa2O4, SrGa2O4, BaGa2O4, MgIn2O4, CaIn2O4, SrIn2O4, BaIn2O4, MgZrO3, CaZrO3, SrZrO3, or BaZrO3.
  12. The method of claim 1, wherein each of the core-shell nanoparticles comprise a shell comprising MgAl2O4, CaAl2O4, SrAl2O4, BaAl2O4, MgTiO3, CaTiO3, SrTiO3, BaTiO3, MgGa2O4, CaGa2O4, SrGa2O4, BaGa2O4, MgIn2O4, CaIn2O4, SrIn2O4, BaIn2O4, MgZrO3, CaZrO3, SrZrO3, or BaZrO3; and a core comprising Co, Cu, Ni, Ag, Fe, Zn, Pd, or Pt.
  13. The method of claim 1, wherein the core-shell nanoparticles are selected from the group consisting of Co@BaAl2O4, Cu@BaAl2O4, Ni@BaAl2O4, Co@BaTiO3, Fe@MgGa2O4, Co@MgGa2O4, and Ni@BaZrO3.
  14. The method of claim 13, wherein the core-shell nanoparticles have an average diameter  of 10-15 nm.
  15. The method of claim 1 further comprising calcining the mixture prior to the step of contacting the mixture with hydrogen gas.
  16. The method of claim 15, wherein calcining is conducted below the decomposition temperature of the first encapsulating material.
  17. The method of claim 1 further comprising contacting a first metal nitrate, an alkali metal or an alkaline earth metal nitrate, a second metal nitrate, and an alkali metal carbonate thereby forming a coprecipitate; and calcining the coprecipitate thereby forming the mixture.
  18. The method of claim 7 further comprising providing screening data of changes in enthalpy of possible reaction products of a reaction of a candidate first metal oxide, a candidate first encapsulating material, a candidate second encapsulating material, and hydrogen gas; and selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the screening data and the decomposition temperature of the candidate first encapsulating material; and selecting the first encapsulating material and the second encapsulating material based on the hydrogen reduction temperature of the first metal oxide; the decomposition temperature of the first encapsulating material and the Tammann temperature of the first encapsulating material.
  19. The method of claim 18, wherein the first metal oxide comprises a metal selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Se, Sn, Pt, Ru, Pd, W, Ir, Os, Rh, Nb, Ta, Pb, Bi, Au, Ag, Sc, and Y.
  20. The method of claim 19 further comprising contacting a first metal nitrate, an alkali metal or an alkaline earth metal nitrate, a second metal nitrate, and an alkali metal carbonate thereby forming a coprecipitate; and calcining the coprecipitate thereby forming the mixture.
PCT/CN2023/132881 2022-12-22 2023-11-21 Tammann temperature-guided synthesis of core@shell catalysts WO2024131415A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202263434899P 2022-12-22 2022-12-22
US63/434899 2022-12-22

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024131415A1 true WO2024131415A1 (en) 2024-06-27

Family

ID=91587644

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CN2023/132881 WO2024131415A1 (en) 2022-12-22 2023-11-21 Tammann temperature-guided synthesis of core@shell catalysts

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024131415A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101626014B1 (en) * 2014-11-21 2016-06-01 한국에너지기술연구원 Catalyst with core-shell structure for synthesizing methanol, manufacturing method thereof and use thereof
CN107552054A (en) * 2017-08-18 2018-01-09 南昌大学 A kind of methane dry gas reforms core shell structure nickel-base catalyst and preparation method
CN107921427A (en) * 2015-07-01 2018-04-17 沙特基础工业全球技术公司 The reaction of methane dry reforming, the catalyst of nickeliferous and cerium the core shell structure reacted for methane dry reforming and its preparation
CN108704647A (en) * 2018-06-15 2018-10-26 华东理工大学 A kind of anti-carbon type methane dry gas reforms cladded type Raney nickel and preparation method
CN110732335A (en) * 2018-07-20 2020-01-31 中国科学院大连化学物理研究所 transition metals @ BO for methane dry gas reforming reactionxCore-shell structure nano catalyst and preparation method thereof
CN111841608A (en) * 2020-07-30 2020-10-30 大连理工大学 High-activity and anti-carbon composite catalyst, preparation method thereof and application thereof in methane dry gas reforming

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101626014B1 (en) * 2014-11-21 2016-06-01 한국에너지기술연구원 Catalyst with core-shell structure for synthesizing methanol, manufacturing method thereof and use thereof
CN107921427A (en) * 2015-07-01 2018-04-17 沙特基础工业全球技术公司 The reaction of methane dry reforming, the catalyst of nickeliferous and cerium the core shell structure reacted for methane dry reforming and its preparation
CN107552054A (en) * 2017-08-18 2018-01-09 南昌大学 A kind of methane dry gas reforms core shell structure nickel-base catalyst and preparation method
CN108704647A (en) * 2018-06-15 2018-10-26 华东理工大学 A kind of anti-carbon type methane dry gas reforms cladded type Raney nickel and preparation method
CN110732335A (en) * 2018-07-20 2020-01-31 中国科学院大连化学物理研究所 transition metals @ BO for methane dry gas reforming reactionxCore-shell structure nano catalyst and preparation method thereof
CN111841608A (en) * 2020-07-30 2020-10-30 大连理工大学 High-activity and anti-carbon composite catalyst, preparation method thereof and application thereof in methane dry gas reforming

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zeng et al. Enhanced hydrogen production performance through controllable redox exsolution within CoFeAlO x spinel oxygen carrier materials
Zhang et al. Ni/Ln 2 Zr 2 O 7 (Ln= La, Pr, Sm and Y) catalysts for methane steam reforming: the effects of A site replacement
Azancot et al. Influence of the preparation method in the metal-support interaction and reducibility of Ni-Mg-Al based catalysts for methane steam reforming
Figueredo et al. A comparative study of dry reforming of methane over nickel catalysts supported on perovskite-type LaAlO3 and commercial α-Al2O3
Goicoechea et al. Support effect on structure and performance of Co and Ni catalysts for steam reforming of acetic acid
Gudyka et al. Enhancing the deN2O activity of the supported Co3O4| α-Al2O3 catalyst by glycerol-assisted shape engineering of the active phase at the nanoscale
Smith et al. A new class of Cu/ZnO catalysts derived from zincian georgeite precursors prepared by co-precipitation
JP6125518B2 (en) Process for producing methanation catalysts and process for syngas methanation
Rezlescu et al. Scandium substituted nickel–cobalt ferrite nanoparticles for catalyst applications
CN101104206B (en) Ni and Ni/NiO core-shell nanoparticles
Kousi et al. Low temperature methane conversion with perovskite-supported exo/endo-particles
Dolcet et al. Very fast crystallisation of MFe 2 O 4 spinel ferrites (M= Co, Mn, Ni, Zn) under low temperature hydrothermal conditions: a time-resolved structural investigation
Ortega et al. Ammonia decomposition and synthesis over multinary magnesioferrites: promotional effect of Ga on Fe catalysts for the decomposition reaction
Cotter et al. The impact of V doping on the carbothermal synthesis of mesoporous Mo carbides
Huang et al. Self‐assembly of Atomically Dispersed Ag Catalysts on Polyhedral Co3O4 at Elevated Temperatures: A Top‐Down Nanofabrication of High‐Loading Atomically Dispersed Catalysts
Kunthakudee et al. CuAl2O4–CuO–Al2O3 catalysts prepared by flame-spray pyrolysis for glycerol hydrogenolysis
Abdelsadek et al. Examination of the deactivation cycle of NiAl-and NiMgAl-hydrotalcite derived catalysts in the dry reforming of methane
WO2024131415A1 (en) Tammann temperature-guided synthesis of core@shell catalysts
Asanova et al. Time-resolved study of Pd-Os and Pt-Os nanoalloys formation through thermal decomposition of [Pd (NH3) 4][OsCl6] and [Pt (NH3) 4][OsCl6] complex salts
Ariëns et al. Substituting chromium in iron-based catalysts for the high-temperature water–gas shift reaction
Fan et al. Nonprecious mixed oxide catalysts Co3AlO and Co2NiAlO derived from nanoflowerlike cobalt-based hydrotalcites for highly efficient oxidation of nitric oxide
Gromilov et al. Formation of Metallic and Carbide Phases via Codecomposition of [Ni En 3] WO 4 and Lithium Hydride in the Range 410–1060° C
KR102530282B1 (en) Rhodium-Cerium Oxide Exsolution Catalyst for Steam Reforming with Enhanced Durability at High Temperature by Reduction Treatment, Manufacturing Method Thereof, and Steam Reforming Method Using the Same
Komeili et al. The properties of nickel aluminate nanoparticles prepared by sol–gel and impregnation methods
McCullough Discovery and Investigation of Ammonia Decomposition Catalysts