1. 什么是单原子催化剂？
单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）通过原子级分散技术将金属原子孤立锚定于载体（如多孔碳、氮化碳、金属氧化物等），形成Co-N₄、Fe-C₃等明确配位结构，消除团簇或颗粒，使原子利用率接近100%。其孤立位点因量子限域效应重构电子结构（如d带中心、电荷分布），精准调控OOH、CO等中间体的吸附行为，优化催化活性与选择性。载体通过强化学键抑制金属迁移，并借助配位原子（N、O、S）的电负性及配位数“剪裁”活性位点电子特性。该催化剂在CO₂电还原、水分解、甲烷氧化等能源催化中展现高效性能，兼具均相催化的高选择性和多相体系的易分离优势，推动工业催化体系革新。
2. 如何制备单原子催化剂？
单原子催化剂的制备依托材料设计与原子级调控技术，主流方法包括MOF高温碳化、离子印迹、原子层沉积（ALD）及缺陷锚定等。MOF衍生法通过热解含特定金属节点（如ZIF-8）的MOF（600–1000°C），生成氮掺杂碳载体并原位限域金属原子（如Zn-N-C），经酸洗去除金属颗粒确保单原子分散。离子印迹法在载体中预设计金属配位空腔（如Fe³⁺），结合模板分子与高温处理形成孤立活性位点。ALD技术通过交替沉积金属前驱体与反应气体，在氮掺杂碳纳米管等表面精确负载单原子（如Pt，负载量），利用自限制反应抑制团聚。缺陷锚定法则借助碳材料晶格缺陷（空位、边缘位等）的高表面能捕获金属原子（如Co），通过强电子作用实现稳定锚定。这些方法均通过化学配位、空间限域或缺陷工程抑制金属团聚，构建高原子利用率、高稳定性的单原子活性位点。
DOI：https://doi.org/10.1002/smll.202004665
3. 不同催化材料中单原子催化剂的应用
单原子催化剂通过精准设计活性位点与载体微环境协同调控，在多个催化体系中实现性能突破。Fe-N-C催化剂中Fe-N₄位点优化O₂吸附与四电子转移路径，使氧还原反应（ORR）半波电位达0.908 V（vs. RHE），优于商用Pt/C。Pt单原子锚定于氮掺杂碳载体时，吡咯氮（Pyridinic-N）与Pt的强电子耦合使其在酸性析氢反应（HER）中过电位仅28 mV@10 mA/cm²，且载体电荷调控提升稳定性3倍以上。Ru单原子嵌入介孔氮化碳（mC₃N₄）骨架后，通过Ru-N键促进光生电荷分离与CO₂活化，在0.4 wt%超低负载量下实现6小时甲醇产率1500 μmol/g。这些案例表明，原子级活性位点设计与载体界面工程的结合，正推动单原子催化剂在能源转化与碳循环等领域的应用拓展。
DOI：https://doi.org/10.1002/smll.202101584
4. 单原子催化剂性能分析关键点
单原子催化剂的性能分析需结合多尺度表征与理论计算，其核心包括活性位点确认、稳定性验证及选择性调控。活性位点表征依赖球差校正电镜（HAADF-STEM）直接观测孤立金属原子（如Pt单原子明亮点状信号），并通过X射线吸收谱（XAS）解析配位结构（如Co-N₄的键长与配位数）。稳定性评估需进行循环伏安测试（电流密度衰减≤5%表明强金属–载体相互作用）及原位XPS监测金属价态演变（如Fe²⁺/Fe³⁺可逆转变）。选择性调控则通过DFT计算预测中间体吸附能（如降低*COOH吸附能促进CO₂→CH₃OH路径），并设计配位微环境（调控吡啶氮/石墨氮比例）定向优化产物分布（乙烯/乙醇选择性比达8:1）。这些方法的协同应用为单原子催化剂的构效关系解析与性能优化提供了系统研究框架。
DOI
：https://doi.org/10.1002/smll.202006482
5. 单原子催化剂设计策略
单原子催化剂的设计策略聚焦于配位环境调控、载体缺陷工程及双金属协同效应优化。通过调控金属活性位点的配位微环境，例如在Co-N₄位点中引入吡啶氮使d带中心上移0.3 eV，可将CO吸附能从+0.5 eV降至+0.2 eV，促进C-C偶联生成乙醇，同时结合杂原子掺杂（S、P）或构建Fe-Co双金属位点实现电子结构协同调谐。载体缺陷工程则通过等离子体处理或化学蚀刻在碳基材料中引入五元环缺陷，稳定CH₂O中间体并降低其吉布斯自由能（ΔG减少0.15 eV），有效抑制副反应路径。此外，双金属协同设计如Au-Pt双单原子体系中，Pt原子通过电子调控稳定Au(I)-Cl活性位点，使乙炔氢氯化反应催化剂寿命提升2倍，其机理源于Pt对Au电子结构的修饰及过渡态能垒的降低。这些策略通过原子级结构设计与能量学优化，为定向调控催化反应路径提供了多维解决方案。
DOI：https://doi.org/10.1002/smll.202005713
6. 文献解析：离子印迹策略开发单原子铁催化剂，结合DFT计算证实其氧还原反应活性显著优于纳米团簇体系。
该研究通过密度泛函理论（DFT）计算揭示了单原子FeN₄位点在氧还原反应（ORR）中的高效催化机制。作者构建了两种模型：原子级分散的FeN₄位点负载于石墨烯（FeN₄-石墨烯）和纳米级Fe₆团簇负载于石墨烯（Fe₆-石墨烯）。自由能分析表明，在FeN₄-石墨烯模型中，ORR所有步骤在0 V电压下均呈自由能下降趋势，表明反应路径热力学自发；而Fe₆-石墨烯的速率决定步骤为OH中间体还原为OH⁻，其热力学过电位高达0.68 eV，显著限制了反应动力学。进一步在0.85 V工作电压下对比发现，FeN₄位点的ORR过电位远低于Fe₆团簇，证实原子级FeN₄位点通过优化中间体吸附能，有效降低氧还原能垒，促进四电子转移路径，从而提升催化活性。理论计算表明，单原子FeN₄位点通过精准调控活性中心的电子结构，削弱关键中间体（如OH）的强吸附，加速反应动力学，最终实现高效的氧还原性能。
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