单原子催化剂因其极高的原子利用率和独特的电子结构调控能力，近年来成为催化科学领域的研究热点。然而，单原子在实际反应环境中极易发生团聚失活，因此载体的选择与设计成为实现单原子高分散和高稳定性的核心。不同类型的载体不仅为单原子提供稳定的锚定位点，还能通过调控局部结构和电子环境，赋予催化剂新的活性和选择性。
本文将围绕碳基材料、金属氧化物、金属载体和二维材料四大类型，系统介绍它们作为单原子催化剂载体的结构特点、材料优势，并结合代表性高水平文献进行分析解读，帮助读者理解载体在单原子催化体系中的关键作用和设计逻辑。
碳基材料
碳基材料（如石墨烯、碳纳米管、碳三氮四（g-C₃N₄）等）通常由sp²杂化的碳原子组成，结构多样、导电性好。比如碳纳米管由卷曲的石墨烯片构成，电子传输能力强；在这些碳骨架中掺杂氮、硼等异原子后，可以形成含孤电子对的配位位点，有利于金属单原子与载体锚定。碳基材料一般化学性质较惰性，热稳定性高，不易被腐蚀，同时比表面积大，可为单原子提供丰富的分散空间。
在单原子催化中，碳基载体的典型优势包括：优异的导电性有助于电子快速传输，增强电催化活性；杂原子掺杂或缺陷调控可以灵活调节载体对单原子电子结构的影响，实现电子调控能力；丰富的表面缺陷和功能基团使活性位点可控。
例如可通过改变掺杂元素或浓度来调节金属-氮（M–N）配位环境；此外，碳基材料通常可承受较宽的反应条件，对酸碱环境、温度等较耐受，保证单原子稳定性。
DOI: 10.1038/s42004-019-0239-8
以g-C₃N₄为例，研究者利用其丰富的氮位点固定了铜（Cu）单原子。在不同的热处理条件下，可形成Cu–N₄和Cu–N₃两种配位结构。实验发现，Cu–N₄结构对CO₂氢化催化生成甲醇(CH₃OH) 具有高选择性，而Cu–N₃则更偏向生成CO。
这说明同一种碳基材料载体可以通过调控单原子配位环境，从而改变催化路径和产物分布。从材料设计的角度来看，利用含N的碳载体（如 g-C₃N₄）的合成策略，可以通过改变煅烧或前驱体配比等参数有目的地设计出不同配位环境的单原子催化中心，进而实现催化性能的精确调控。
DOI: 10.1038/s41467-021-26316-6
金属氧化物材料
金属氧化物载体（如 CeO₂、TiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃等）通常具有离子晶格结构，其表面暴露的金属阳离子和氧阴离子可提供多种配位位点。氧化物表面可以存在丰富的氧空位或羟基等缺陷，这些缺陷位点往往是单原子锚定的强结合点。
金属氧化物自身具有可调的氧化还原能力，如CeO₂的氧储存能力强，在高温氧化环境下能够“俘获”贵金属单原子。氧化物结构的特点还包括可通过改变晶面（如 (100)、(110)、(111) 等）和粒径调节表面能级，以及通过掺杂其他金属改变电子结构。
DOI:10.1038/s41467-023-37776-3
金属氧化物载体在单原子催化中的优势主要体现在：强金属-氧键可以有效稳定单原子，抑制团聚，使催化剂高温下仍能保持单原子分散；电子效应可调，氧化物载体的电负性和氧空位浓度影响单原子电子结构，从而调控活性；氧化还原环境配合，载体的可变价性有助于反应中间物吸附/生成，例如氧空位可以吸附O₂或其它物种，形成协同作用。
以CeO₂为例，它的氧储存性能和自陷阱效应使其成为稳定的单原子载体：文献报告，CeO₂-载Pt单原子催化剂采用高温原子陷阱法制备时，可以得到非常稳定的Pt–O–Ce配位结构。该研究发现，通过在CeO₂上锚定不同方式的Pt单原子（一种附着在表面，一种位于Ce平面取代位点），其催化性能差异明显。
这表明载体的结构和制备工艺直接决定了单原子的局部配位环境和催化活性。总的来说，金属氧化物载体提供了强结合和额外的化学活性位点（如氧空位），能够通过活化氧物种或质子提供，使催化剂体系更易于发生所需化学转变。
金属载体（单原子合金）
金属载体即将单原子引入另一种金属基体中，形成单原子合金（SAAC）。结构上，单原子取代或嵌入到金属表面原子阵列中，与周围金属原子形成金属键合环境。此类载体与催化原理相近，可以被视为部分异质表面的均质化，例如单个Pt原子分散在Cu金属表面上。
金属载体环境金属性强、电导率高，有利于电子自由流动。由于金属间化学键较为均匀，单原子与支持金属之间的耦合导致其电子结构发生调整（例如改变d能级中心位置），从而影响催化性质。
DOI: 10.1038/s41467-021-22048-9
金属载体在单原子催化中的典型优势体现在协同效应方面：表面金属支持通过与单原子共同作用，可调节反应物的吸附和中间体脱附平衡，提高反应效率。例如，文献指出，单原子合金催化剂通过同时优化反应物的解离和中间体的适当吸附，从而实现了高效催化。
具体来说，SAACs能够使反应所需能量和活化能同时降低。这一机制意味着单原子合金可以打破传统线性关系（如 Brensted–Evans–Polanyi 关系），在保持较低反应能的同时降低活化能，极大优化了催化性能。此外，实验验证的单原子合金体系诸如Pd/Cu、Pt/Cu、Pd/Ag、Pd/Au、Pt/Au、Pt/Ni、Au/Ru、Ni/Zn等，在多种加氢反应中都表现出高活性和选择性。
这些例子表明，将贵金属原子锚定于廉价金属表面，不仅能明显减少稀贵金属用量，还能利用金属间的电子互作用改善催化剂抗中毒性（如CO选择性增强）。由于基体金属通常较为廉价且易加工，单原子合金策略在现实中具有较好的可扩展性。
二维材料
二维材料载体（如石墨烯及其异构体、二维氮化硼、过渡金属二硫化物MoS₂/WS₂、MXene等）是一类厚度仅有原子级别的层状材料。其特点是表面原子全部裸露在外，具有极高的比表面积和高度可定制性。
例如，石墨烯是一层sp²碳原子格子，可通过缺陷或掺杂引入锚点；二维MoS₂等TMD材料拥有过渡金属层夹杂硫层的结构，本身可自带带隙、电荷分布可调。MXene（如Ti₃C₂等过渡金属碳化物/氮化物）则表面带有–O, –OH等末端基团，能够与单原子形成强键。总体而言，二维材料通常是各向异性很强的层状晶体，能承载单原子与基底形成独特的相互作用。
二维载体的优势在于其空间限制与电子调节特征：一方面二维层间或层内可以精确安放单原子，如将贵金属单原子插层到层与层之间；另一方面二维材料的平面电子态密度高，支持通过异质结构设计（如vdW间距、材料选择）对单原子电子环境进行精细调整。
以二维SnS₂（层状二硫化锡）为例，研究者通过将Pt单原子插层于SnS₂的范德华缝隙中，制备出稳定的原子级催化剂体系。在这种结构中，单原子Pt与SnS₂之间的结合较弱，使得Pt原子保留接近金属本体的性质，表现出极佳的固有催化活性；而二维层间的物理保护又使这些单原子在长期反应中保持高度稳定。
这一工作清晰地表明，通过调整单原子与二维载体间的相互作用（弱相互作用可增强活性而层状结构能提高稳定性），可以在二维平台上同时获得高活性和高稳定性的单原子催化剂。类似地，石墨烯和h-BN等二维片层也常用于锚定单原子，通过制造孔洞、边缺陷或掺杂异原子来增强单原子结合力，使单原子稳定分散于平面上。
DOI: 10.1038/s41467-022-34572-3
总结
总的来看，单原子催化剂的性能不仅依赖于活性金属原子的本征性质，更与载体的结构与功能密不可分。碳基材料凭借高导电性和丰富的缺陷环境，金属氧化物通过强金属-氧键和氧空位调控，金属载体借助金属间协同效应，二维材料则以其独特的层状结构和电子调节能力，各自为单原子催化剂的稳定与高效提供了多元支持。
随着材料科学和合成技术的不断进步，载体定向设计将持续推动单原子催化剂在能源、环境和化学合成等领域的广泛应用。深入理解不同载体材料的特点与调控机制，是未来实现高性能单原子催化剂设计与实际应用的关键基础。