近年来，单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）因其独特的性能成为催化领域的研究热点。
本文从技术优势、应用潜力及研究动因三方面展开分析，结合最新研究进展，探讨其为何备受关注。
传统负载型催化剂的金属颗粒尺寸从纳米颗粒到亚纳米簇不等，导致大量内部原子未被利用。单原子催化剂通过将金属原子以孤立形式分散在载体上，实现了近乎100%的原子利用率。
这对贵金属（如Pt、Rh、Pd）尤为重要，显著降低了成本并提升了经济性。
例如，Pt基SACs在酸性介质中氧还原反应（ORR）的活性可比肩纳米颗粒催化剂，而用量仅为后者的极小部分。
SACs的活性位点由孤立的单原子及其配位环境构成，结构均一且可精确调控。这种均一性避免了传统催化剂中多尺寸颗粒共存导致的副反应，显著提高了反应选择性。
例如，Rh/ZnO SACs在氢甲酰化反应中表现出与均相Wilkinson催化剂相当的活性，但选择性更高且无需添加膦配体。此外，单原子合金催化剂（如Pd-Cu）在炔烃选择性加氢中可实现99%以上的烯烃选择性。
SACs结合了均相催化剂的高活性/选择性和多相催化剂的稳定性/易分离性，成为沟通两类催化的桥梁。
例如，Pt/Al₂O₃ SACs在硅氢加成反应中不仅活性高，还能通过简单过滤回收并重复使用，解决了均相催化剂回收难题。
通过改变载体材料（如金属氧化物、石墨烯、MOFs）和配位环境（如N、S配位），可精准调控单原子的电子状态，优化催化性能。例如，Fe-N-C SACs中Fe原子的d带中心位置可通过氮掺杂碳载体的微环境调节，进而提升氧还原活性。
SACs在清洁能源转换（如水分解、燃料电池）和温室气体转化（如CO₂还原）中展现出巨大潜力。
例如，Co SACs在光催化水分解中产氢效率较传统催化剂提升数倍，而Ni-Fe双原子催化剂在碱性析氧反应（OER）中过电位低至240 mV。
合成方法多样化：浸渍法、原子层沉积（ALD）、MOF衍生法等技术的发展，使SACs的负载量和稳定性显著提升。例如，ALD技术可精确控制金属原子在载体表面的分散度，而聚合物模板法（如一锅热解）能制备高负载量（>5 wt%）的SACs。
先进表征手段：球差校正透射电镜（AC-TEM）、X射线吸收光谱（XAS）和原位光谱技术，为SACs的原子级结构解析提供了有力工具。例如，通过XAS可确定Fe SACs中Fe-N₄的配位构型及其在反应中的动态演化。
密度泛函理论（DFT）和高通量计算加速了SACs的设计。研究者可通过模拟预测不同金属–载体组合的活性趋势，并揭示反应机理。
例如，理论计算表明，Pt单原子在ORR中遵循四电子路径，而Au SACs的CO氧化活性源于载体氧空位与金属原子的协同作用。
SACs在化工生产中的示范性应用已初见成效。如Rh SACs用于丙烯氢甲酰化制备丁醛，无需溶剂且催化剂可循环使用，显著简化了工艺流程。
此外，SACs在电化学合成过氧化氢（H₂O₂）中效率高达90%，为绿色化学提供了新途径。
稳定性瓶颈：单原子易迁移团聚，尤其在高温或强腐蚀环境中。需开发强金属–载体相互作用（SMSI）策略，如缺陷工程（氧空位、氮掺杂）和聚合物封装。
负载量限制：当前多数SACs的金属负载量低于2 wt%，制约其工业应用。新型载体（如多孔碳、共价有机框架）和合成方法（如空间限域法）有望突破这一限制。
复杂反应适应性：SACs在涉及多中间体或协同机制的反应（如甲烷氧化）中表现不足。双原子催化剂（DACs）或串联催化体系可能是解决方向。
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