单原子结构是指由单个原子组成的结构，通常在材料科学、化学和物理等领域中具有重要的研究价值。单原子结构不仅在催化反应中表现出优异的性能，还在能源存储、电子器件、传感器等领域有着广泛的应用前景。以下将从多个角度详细探讨单原子结构的种类、制备方法、应用领域以及相关研究进展。
单原子结构的定义与特点
单原子结构是指材料中金属原子以单个原子的形式分散在支撑材料上，而不是以纳米颗粒或团簇的形式存在。这种结构的最大特点是每个金属原子都作为独立的活性位点，从而最大化金属原子的利用率。与传统的纳米颗粒催化剂相比，单原子催化剂（SACs）具有更高的催化效率和选择性。
例如，在催化反应中，单原子催化剂可以更精确地调控反应路径，减少副反应的发生，从而提高目标产物的产率。
单原子结构的制备方法
单原子结构的制备方法主要包括以下几种：
液相合成法：通过液相反应将金属原子引入支撑材料中，并通过限域作用形成单原子结构。例如，昆士兰大学的研究团队通过摩尔盐方法在TiO2中引入Ni单原子，实现了对TiO2上修饰单原子Ni催化剂的合成。
这种方法利用了摩尔盐中的强极性环境，促使Ni原子与氧形成Ni-O键，从而形成稳定的单原子结构。
热解法：通过热解金属有机框架（MOFs）或金属–有机化合物，可以实现金属原子的单原子分散。例如，中国科大团队通过共掺杂热解的方式成功制备出了硼–氮共配位的铜单原子催化剂。这种催化剂在二氧化碳电催化还原反应中表现出优异的性能。
电化学方法：通过电化学手段可以诱导金属原子从团簇结构转变为单原子结构。例如，研究人员通过电化学方法将锌簇结构转化为单原子结构，从而提高了催化剂的活性和稳定性。
原子层沉积（ALD） ：通过原子层沉积技术可以在支撑材料表面精确地沉积单原子层，从而实现单原子结构的可控合成。这种方法在制备高活性和高稳定性的单原子催化剂方面具有重要意义。
单原子结构的应用领域
催化反应
单原子催化剂在催化反应中表现出优异的性能，尤其是在氧化还原反应、水解反应和电催化反应中。例如，Pt单原子催化剂在氧气析出反应（OER）中表现出极高的活性和稳定性。异质单原子–团簇远程协同提升催化剂在OER中的性能，其中黄色球体代表单原子结构，粉色和紫色球体代表团簇结构，这些结构通过远程协同作用显著提升了催化剂的活性。
此外，Ru单原子催化剂在氮气电化学还原反应（NRR）中也表现出极高的活性。研究表明，Ru单原子催化剂在-0.2 V电压下实现了29.6%的法拉第效率和120.9 μgNH3 mgcat-1 h-1 的产率，远高于传统催化剂。
能源存储与转换
单原子结构在能源存储和转换领域也具有广泛的应用前景。例如，石墨烯因其单原子结构和高比表面积，被广泛应用于电暖器、电池和超级电容器中。石墨烯电暖器利用其高导电率和导热率，实现了快速升温，无需等待，是冬季取暖的新选择。
此外，单原子结构在锂离子电池和钠离子电池中也表现出优异的性能。例如，通过在二氧化锡中引入8种不同的3d过渡金属单原子，研究人员构建了“单原子异质结构”模型，为界面反应的追踪提供了便利。
气体分离与净化
单原子结构在气体分离和净化领域也具有重要应用。例如，氩气是一种具有单原子结构的气体，因其化学稳定性，被广泛应用于工业、科学研究和国防工业中。氩气在低温精馏法中被提取自空分装置副产气，具有重要的工业价值。
单原子结构在光电催化领域也表现出优异的性能。例如，昆士兰大学的研究团队通过在TiO2中引入Ni单原子，实现了对光催化分解水性能的显著提升。Ni单原子有助于界面上产生氧空穴，并促进电荷转移过程，从而提高了光催化效率。
单原子结构的研究进展
近年来，单原子结构的研究取得了显著进展。例如，中国科大团队提出了一种提升铜单原子催化剂产甲烷性能的策略，通过硼配位掺杂可以促进单原子位点对关键中间体的吸附，从而提高催化剂的性能。
此外，研究人员还发现，通过引入异质原子（如S、P、B）可以增强单原子催化剂的电催化性能。例如，M-Nx-C基单原子结构催化剂在ORR/OER反应中表现出良好的电催化活性。