本文华算科技介绍了单原子催化剂在加氢反应中的烧结行为。单原子虽具高活性与选择性，但因表面能高易于迁移聚集，导致活性位损失和性能衰退。
详细介绍了奥斯特瓦尔德熟化与颗粒迁移–聚并机制，阐述了烧结对活性和选择性的影响，并总结了原位表征和DFT等分析方法。最后提出强锚定、限域结构和缺陷工程等抗烧结策略，为单原子催化剂的稳定应用提供思路。
烧结概述
在异相催化领域，催化剂活性金属相的稳定性对于长期性能至关重要。烧结（sintering）是指高温下金属活性相的团聚生长现象，它会导致活性表面积减少，是传统金属纳米催化剂失活的主要原因之一。
对于单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）而言，单个金属原子高度分散在载体上，可实现最大的金属利用率和独特的活性位结构。然而，单原子由于具有极高的表面自由能，更易于发生迁移和聚集而形成团簇或纳米粒子。
这使得在实际反应条件下维持单原子分散成为一项巨大的挑战。如果单原子发生烧结聚集，不仅会丧失其原有的高效活性位点，而且相应的催化活性和选择性也可能发生显著变化。
因此，研究单原子催化剂在反应条件下（尤其是加氢等高温还原性条件下）的烧结行为及稳定性，对推进其从学术研究走向工业应用具有重要意义。
DOI:10.1038/s41524-020-00411-6
加氢反应通常在富氢还原性气氛下进行，典型温度从室温到数百摄氏度不等。在此条件下，单原子催化剂面临特别严峻的稳定性考验。一方面，氢气会促使金属表面及载体发生还原，使原本锚定在载体表面的单原子金属还原成零价，从而削弱其与载体的键合作用；另一方面，反应温度的升高将加速单原子的扩散迁移。
在氢化反应环境中，已有研究指出单原子负载在氧化物上虽然能够显示出对一氧化碳中毒的耐受性等优点，但在加氢条件下可能并不稳定，容易发生聚集。例如，对于氧化物负载的单原子Pt或Pd，在氢气氛围中高温运行时，单原子很难长期保持分散状态。
因此，深入了解加氢反应条件下单原子催化剂烧结失活的机制以及影响因素，并进而发展有效的抗烧结策略，是单原子催化剂实用化所必须解决的关键科学问题。
DOI:10.1038/s41467-025-59321-0
作为本文的研究背景和总体介绍，我们将概述烧结在催化剂失活中的重要性，重点说明单原子催化剂在加氢反应条件下面临的独特挑战。
接下来，文章将依次讨论烧结的基本概念及热力学/动力学机制，烧结对单原子加氢催化剂性能的影响，研究烧结行为的实验与理论分析方法，以及防止烧结的工程策略和未来发展方向。
通过这些内容的综述，力求全面展现当前针对单原子催化剂烧结现象的研究进展，并为今后开发高稳定性、高性能的单原子加氢催化剂提供指导。
DOI:10.1038/s41598-025-00126-y
烧结的热力学、动力学机制
烧结是指分散的金属物种在热驱动下发生聚集长大的过程。在传统负载型金属催化剂中，烧结通常表现为小的金属颗粒随着时间推移逐渐长大，导致活性金属的比表面积下降。
烧结有两种主要机制：其一是奥斯特瓦尔德熟化（OstwaldRipening），即小颗粒表面的金属原子经由载体表面扩散或通过气相迁移，沉积到较大的颗粒上，使大颗粒进一步长大而小颗粒逐渐消失；其二是颗粒迁移–聚并（particle migration & coalescence），即整个小颗粒在载体表面迁移并与另一颗粒碰撞、合并成更大的团聚体。
这两种机制都可以导致金属活性位数量的减少，但在具体体系中占主导的途径取决于金属–载体相互作用、温度以及体系的其他条件。
对于单原子催化剂而言，烧结过程在原子尺度下具有一些特殊性。当体系中仅有分散的单原子时，奥斯特瓦尔德熟化可理解为单原子从载体的一个位点迁移并附着到另一处已存在的金属聚集核上；而在初始阶段，如果体系中尚不存在多原子聚集体，那么烧结更可能从相邻单原子相遇结合开始，即通过迁移–聚并机理形成二聚体或小簇，然后再进一步长大。
在高温下，单原子会快速在载体表面移动，增加了相互碰撞聚合的概率。已有实验证据表明，在反应过程中原子分散的金属会迅速发生团聚。例如，Liu等人在研究Pt/Al₂O₃催化剂时观察到，当反应温度从150℃升高至325℃时，最初以单原子形式存在的Pt物种逐渐聚集生成更大的颗粒。
这说明单原子在较高温度下发生动态重组和烧结是不可避免的。如果体系中存在尺寸不一的金属团簇，奥斯特瓦尔德熟化将驱动更小的簇（甚至单原子）逐渐溶解并贡献物质给更大的颗粒，使“大者愈大、小者愈小”。
总的来说，单原子烧结实质上仍归因于体系试图降低总表面自由能的热力学驱动力：相比高分散的单原子，大尺寸颗粒具有更低的表面能更为稳定，因此在高温下体系自发朝着形成较大颗粒的方向演化。
doi:10.1021/acscatal.9b04214
除了热力学驱动外，烧结过程也受到动力学因素的控制，尤其是单原子在载体表面的迁移扩散动力学。不同金属–载体体系中，单原子的扩散活化能（E_a）可能有很大差异。
直观地说，如果单原子在载体上的迁移动能垒很低，那么即使温度不太高也容易发生迁移聚集；反之，如果单原子被载体强烈锚定，扩散活化能较高，则即使在较高温度下也不容易移动，从而抑制烧结倾向。
因此，评价单原子催化剂稳定性需要同时考虑热力学稳定性（如单原子与载体的结合能E_bind）和动力学稳定性（如单原子的扩散能垒E_a）。研究表明，单原子在载体上的扩散能垒与其结合能以及金属本身的内聚能等热力学参数有关，并可以通过经验关系进行估算。
一般而言，只有当单原子的扩散能垒远高于反应条件下的热能时，才能避免其快速烧结。这意味着要获得抗烧结的单原子催化剂，需要在材料设计上确保金属原子与载体之间有足够强的相互作用来限制其移动。
载体在烧结机制中扮演了复杂而关键的角色。一方面，载体提供了单原子吸附的位点，不同位点对金属原子的束缚强度不同；另一方面，载体表面可能存在缺陷、晶格畸变等，这些因素既可以作为单原子的锚定点也可能成为其迁移的通道。
例如，在高表面积的γ-Al₂O₃上，研究发现金属阳离子位（如未饱和配位的五配位Al³⁺位点）能够锚定贵金属原子。然而这种锚定作用仍有限，难以完全阻止高温下单原子向纳米粒子的转化。
相反，在可还原氧化物载体如CeO₂上，单原子可以与表面氧形成部分共价键，从而显著提高锚定强度。有报道指出，氧化物载体上形成的离子型单原子种（例如CeO₂上形成Pt²⁺/Pt⁴⁺物种）的结合能甚至可超过金属–金属键的内聚能。
这使得通过高温处理将前驱体中的金属捕获为单原子成为可能，例如在800℃空气中煅烧Pt盐使PtO₂挥发并被CeO₂表面捕获，从而制备稳定的单原子Pt/CeO₂催化剂。除了提供锚定作用外，载体缺陷还可能导致另一种失活路径：金属原子扩散进入载体晶格内部被“埋藏”起来，成为不参与表面反应的物种。
例如，某些强相互作用的载体（如具有氧空位缺陷的可还原氧化物）可能使金属原子从表面迁移进入晶格位置，从而表面活性位流失。
因此，在理解单原子烧结机制时，需要全面考虑载体对单原子的锚定、扩散通道以及可能的埋藏效应。热力学驱动力促使单原子体系朝聚集方向演化，而载体对单原子的束缚和扩散障碍决定了这一演化过程发生的难易和快慢。
烧结对单原子加氢催化剂性能的影响
单原子催化剂发生烧结聚集后，对催化性能的影响是多方面的。首先也是最直接的影响在于活性位点数量的减少。当单原子聚集形成团簇或颗粒后，原本分散的孤立金属原子不再全部暴露为表面活性位。这意味着有效参与反应的金属原子数量下降，催化剂的总活性往往显著降低。
例如，一种典型的现象是在单原子催化剂老化烧结后，目标产物的转化率或生成速率下降，这在本质上归因于活性表面积的损失。此外，烧结导致的活性位流失不仅体现在数量上，还体现在活性物种性质的改变上——烧结使得单原子转变为金属颗粒，暴露出的表面原子具有不同的配位环境，这可能改变其本征活性。
因此，烧结通常伴随着催化剂活性随时间的下降，被视为催化剂失活的重要原因之一。对于追求高活性的单原子加氢催化剂而言，如何抑制活性位流失、维持高的活性金属暴露度是其能否长期稳定运行的关键。
除了活性下降之外，烧结还会引发单原子催化剂电子结构和表面化学性质的改变，进而影响催化选择性和反应路径。单原子催化剂之所以备受关注，一个重要原因在于其独特的电子结构：单个金属原子与载体直接相互作用，往往带有局域的正电荷或特殊的d轨道占据状态，这赋予其不同于大颗粒金属的吸附/活化特性。
例如，孤立的单原子由于配位不饱和，可能对反应物分子表现出类似均相催化中配位金属中心的行为，只选择性地吸附活化某一官能团而不影响其他部分。
然而，当烧结发生后，多个金属原子聚集形成了金属–金属键相互作用的颗粒，此时金属中心的电子态更接近金属本征的零价状态，表面原子的d带连续体与电子供给能力都发生变化。
结果就是，对吸附物种的亲和力和活化模式可能与单原子态时截然不同。这种电子结构的改变会带来催化选择性的演变。在加氢反应中，单原子常常表现出对特定官能团的高度选择性氢化能力。
例如，有研究表明，单原子催化剂在炔烃、二烯烃、硝基芳香化合物等的加氢反应中能以接近均相催化剂的方式，只氢化目标官能团而保持其它敏感键不受影响。
这是因为单原子位点的几何与电子结构均一，可优先稳定特定中间体或过渡态，从而遵循单一路径反应。相比之下，大颗粒金属表面往往存在多种不同配位的活性位，可能同时吸附多种基团，导致副反应发生，使选择性降低。
烧结导致单原子催化剂选择性演变的一个典型情形是过度氢化问题。在选择性加氢反应中，例如将炔烃半氢化为烯烃，如果催化剂活性位过于“活泼”（如在大金属颗粒上），则部分生成的烯烃可能进一步被氢化为烷烃，降低了目标产物选择性。
单原子催化剂由于只有孤立的单一活性位，通常不利于发生深度氢化，从而显示出优异的选择性。然而，一旦单原子发生聚集形成了相邻多金属原子共存的表面，则可能出现有利于完全氢化的多重吸附和活化位点。
例如，在Pd催化乙炔选择加氢为乙烯的体系中，理想情况下希望催化剂只提供使C≡C转化为C=C的活性位而不进一步裂解C=C键或过度加氢。而据报道，孤立的Pd单原子由于难以同时吸附活化H₂和乙炔，反应速率偏低但对选择性有利；当Pd原子相互邻近时，它们可以协同吸附活化H₂等步骤，大幅提高反应速率，但要保持高选择性需要精细的结构设计。
Chu等人在研究相邻Pd单原子的催化行为时发现，两两相邻的Pd单原子既能保留单原子催化剂高选择性的优点，又由于邻近原子间的协同作用显著提高了加氢活性。这表明，如果烧结导致形成的小簇恰好提供了有利的双原子活性位，活性可能上升，但通常以牺牲选择性为代价。
如果烧结失控形成更大的颗粒，活性位过多、表面多样性增加，则往往会出现副反应增多、选择性下降的不利局面。因此，烧结对于单原子加氢催化剂性能影响具有双重性：一方面活性位数量和特质的丧失直接降低活性，另一方面电子结构和表面吸附性质的变化又可能破坏原有的高选择性特征。
对于实际应用而言，既要保持单原子催化剂高选择性的优势，又要避免因烧结造成的活性损失和选择性劣化，是催化剂设计者必须权衡解决的问题。这也进一步凸显了抑制单原子烧结以稳定活性位结构的必要性。
实验与理论分析方法
深入研究单原子催化剂的烧结行为，需要借助多种先进的实验表征技术和理论计算手段，从原子尺度捕捉结构演变并理解其机制。原位表征技术在这一领域发挥了关键作用。其中，高分辨透射电子显微镜（TEM），尤其是球差校正的高角环形暗场扫描透射电镜（AC-STEM），能够直接观察载体表面的单个金属原子。
现代AC-STEM的空间分辨率可达到亚埃尺度，使得单个重原子在轻元素载体上呈现明亮衬度成为可能。利用这一技术，研究者可以在催化剂新鲜态下统计单原子的分布密度，并在加热或通入反应气的原位条件下，实时追踪单原子的移动和聚集过程。
例如，Datye等使用AC-STEM定量计数了CeO₂载体表面每平方纳米约1个Pt原子的分布，并通过比较反应前后图像，判断单原子是否发生了团聚。由于AC-STEM成像时单原子只有在焦平面内才出现亮点，否则会散焦消失，这一特点使其成为定量分析单原子浓度的有力工具。
结合低能离子散射（LEIS）等表面灵敏技术，可以进一步证实样品中是否存在超过单原子以外的金属聚集体。LEIS通过探测探针离子与样品最表层原子的散射信号，能够区分出金属是否以原子级分散存在：若全部金属都以单原子形式暴露，则LEIS只探测到单层分散信号，无较大簇的特征。
这种将实时显微观察与表面探针技术相结合的方法，已经成功用于揭示单原子催化剂在高温CO氧化等反应中的烧结动力学。类似的策略也可用于加氢反应体系，通过在原位TEM样品杆中通入H₂并升温，直接目睹单原子的团聚发生，并记录其速率和机理。
除了电子显微技术，原位X射线表征在监测单原子催化剂的结构演变方面同样不可或缺。X射线吸收精细结构谱（XAFS，包括XANES和EXAFS）对单原子催化剂特别有用，因为它不要求样品有长期有序结构即可提供局域配位环境信息。
通过XAFS，可测量金属原子的价态和第一配位壳的信息，从而判断单原子是以单原子形式还是以金属–金属配位的形式存在。在原位/操作（insitu/operando）条件下进行XAFS测试，可以观察反应过程中单原子的配位数变化：如果随着反应进程EXAFS信号中金属–载体配位减弱而金属–金属配位峰出现增强，就表明单原子正在聚集成簇。
例如，OperandoEXAFS研究已经被用来追踪CO₂加氢反应中单原子Rh逐渐转变为Rh团簇的过程。XAFS的优势在于对元素具有选择性、可在真实催化环境（气氛、温度、压力）下获取数据，这使得它成为研究单原子催化剂“命运”的理想工具。化学价态和配位数的实测变化能够直接证明烧结的发生与否，并关联到催化活性随时间的变化。
除了XAFS，原位X射线衍射（XRD）也可用于较大簇/相的生成检测，但对于单原子和极小簇，XRD往往检测不到信号。相比之下，X射线光电子能谱（XPS）在原位下可以监测金属的价态变化，例如单原子还原为零价时结合能的移动，但空间分辨能力有限。
近年来，原位红外光谱（如CO探针分子红外）也被用于判别单原子活性位。CO分子吸附在单原子位上通常会呈现与在金属表面上不同的红外振动峰，从而提供单原子是否仍然存在的间接证据。
例如，利用CO-DRIFTS（漫反射红外）技术可以探测到单原子-CO配合物特征峰，当烧结发生时，这些峰的强度会下降并出现金属颗粒上CO吸附的峰位。
总的来说，通过原位表征技术组合作用——如XAS提供电子态和配位信息、TEM直接观察空间分布、IR探针反映表面化学环境等——科研人员能够多角度地分析单原子催化剂在反应条件下的结构变化。这些方法相互印证，对于构建烧结机制的全面图景不可或缺。
在实验手段揭示现象的同时，理论计算和模拟为理解烧结的内在驱动因素和预测体系稳定性提供了重要支撑。首先，基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算可以量化单原子与载体作用能、扩散过渡态能垒等关键参数。
通过比较不同金属–载体组合的单原子结合能和扩散能垒，可以初步筛选出哪种材料体系下单原子更稳定。例如，Su等人采用DFT计算了多种过渡金属单原子在典型载体（如CeO₂, TiO₂, MgO, 石墨烯等）上的吸附能和迁移能垒，发现扩散能垒与单原子结合能及金属内聚能具有标度关系，可用于快速预估SAC的稳定性。
这种由热力学参量推断动力学稳定性的扩展研究，为设计抗烧结SAC提供了理论指导。除了静态能量计算，分子动力学（MD）模拟和蒙特卡罗（MC）模拟也是常用工具。
通过经典或从头算MD模拟，可以直观再现一定温度下单原子在载体表面的运动轨迹以及可能的碰撞聚并事件。尤其是结合动力学蒙特卡罗方法，可以在超出直接模拟时间尺度范围的条件下，统计地评估烧结发生的概率和速率，模拟催化剂长期运行时的结构演化。
理论计算还能够揭示实验难以直接观测的微观机理，例如单原子沿载体表面特定晶面或缺陷周围的扩散路径、多个单原子遇合形成二聚体的过渡态几何等。近年来，研究者开始将机器学习等新兴计算手段应用于SAC稳定性研究，例如通过训练模型预测大范围金属–载体组合的扩散势垒，以加速材料筛选。
理论计算的另一重要作用在于配合实验分析结果，进行结构猜测和验证。例如，当XAFS检测到某单原子催化剂反应后出现金属–金属配位信号时，可以通过DFT优化可能的团簇结构并计算对应的XAFS谱进行比对，从而确定烧结产物的精确结构。
实际上，在许多关于单原子催化剂的报道中，都结合了DFT计算来解释单原子如何锚定在载体上的微观构型，以及在何种条件下会脱附迁移。例如，对Pt₁/CeO₂和Pt₁/MgAl₂O₄等体系，理论计算帮助定位了Pt单原子占据的具体位点，并解释了为何CeO₂的氧空位能有效捕获Pt而提高稳定性。
综上所述，实验表征为我们提供了观察烧结行为的“眼睛”，而理论模拟则提供了解剖烧结机制的“思想实验室”。两者相辅相成，使我们能够更全面地理解单原子催化剂在加氢等条件下的结构演变规律，为提出行之有效的抑制策略打下基础。
DOI:10.1038/s41524-020-00411-6
抑制策略与未来方向
鉴于烧结对单原子催化剂活性和选择性的消极影响，发展有效的工程策略来抑制单原子的聚集，是当前单原子催化研究和应用的重点。强锚定设计是防止单原子迁移烧结的基本思路之一。
通过调控载体材料的表面化学特性，为单原子提供高结合能的锚定位点，可大幅提高其抗烧结能力。一种常用的方法是对载体进行杂原子掺杂或缺陷工程，使之产生“陷阱”位点来捕获单原子。
例如，在碳载体中引入氮杂原子（如制备N掺杂石墨烯、石墨氮化碳等），形成类似配位配体的N位点，可以与过渡金属原子强烈键合，从而稳固地锚定单原子，防止其在表面游动。
同样地，在氧化物载体中预先引入缺陷（如氧空位）或异质元素，可以调整金属原子的电子结构和吸附能。以CeO₂为例，引入少量异价金属掺杂（如引入Pr³⁺替代Ce⁴⁺）可在晶格中产生额外的氧空位，这些空位既是活性位也是锚定点，可使后续负载的单原子牢固结合在缺陷处，降低迁移倾向。
最近的理论和实验均表明，载体缺陷位能够显著提高单原子的结合能并提供电子向金属的反馈，从而抑制金属的聚集。
例如，石墨烯中的单空位（monovacancy）被认为是锚定金属原子的极佳位置，其可以形成强共价键或配位键，将单原子“锁定”在空位处，即使在高温下也难以脱出漫游。因此，通过载体缺陷工程来构筑强锚定位点，是实现单原子催化剂热稳定化的有效策略。
限域结构设计是另一种重要的抗烧结方法，即将单原子限域于空间受限的环境中，阻止其相互接近聚合。与将单原子暴露在开放的载体表面相比，将单原子引入到载体的孔道、层间隙或笼状结构中，可以在物理上隔离各金属原子。
例如，将单原子分散于微孔分子筛的孔道和笼穴内，每个金属原子被周围的骨架氧原子配位并局限在狭小空间内，这大大减少了不同金属原子直接碰撞的机会。研究表明，沸石等限域空间能够稳定单原子甚至小簇在高温还原性条件下长期存在，从而用于高温反应催化。
如近期报道的一种单原子钴/分子筛催化剂在高温乙炔选择性加氢中表现出优异的稳定性和选择性，即归功于Co单原子被束缚在八元环孔道内，难以聚合成大的金属粒子。
除了传统的多孔材料，二维层状材料的范德华间隙也被开发为单原子限域平台。Jiang等人将Pt原子插层进入SnS₂的层间空隙中，Pt单原子被夹在上下硫化锡层之间，不直接暴露于外表面。
这种插层的Pt单原子一方面由于与载体为较弱的范德华键，保持了接近金属本征的电子性质，具有较好的催化活性；另一方面又因被层状主体“夹带”保护，表现出超高的抗烧结稳定性。具体而言，该插层的Pt/SnS₂催化剂在氢析出反应中表现出与10 wt% Pt/C商用催化剂相当的性能，但长期运行后Pt依然以单原子形态存在，没有明显团聚。
这一工作展示了限域单原子催化剂在稳定性和活性方面的平衡优势。未来，可以预见将有更多类型的限域架构被用于单原子催化剂设计，比如利用金属有机框架（MOF）或共价有机框架（COF）的笼状孔道，以及利用层状双金属氢氧化物（LDH）层间可容纳阴离子的空间来固定单原子等。
这些限域策略通过空间结构上的限制，从根本上减少了单原子之间相互接触的几率，是防止烧结的物理解决方案。
除了增强单原子与载体的作用和限域之外，材料合成和工艺方面的创新也提供了抑制烧结的新思路。例如，“反奥斯特瓦尔德熟化”机制是近年来发展出的一种单原子制备与稳定化策略。
其核心思想是在高温条件下利用载体捕获金属挥发性中间体或移动物种，从而将金属以单原子形式锚定分散。前文提到的原子捕获（AtomTrapping）方法即是一例：通过高温煅烧促使金属前驱体分解并形成挥发性氧化物，这些挥发物在载体缺陷处被截留并还原为单原子。
Jones等人早期的研究显示，利用原子捕获法可在Al₂O₃或CeO₂上获得热稳定的Pt单原子催化剂，甚至能够耐受800℃的高温处理而不发生烧结。又如，气相自组装（vapor-phaseself-assembly）方法通过控制金属前驱体在气相中的扩散和载体上的逐步还原沉积，实现高温下一步到位地生成单原子，从而避免了常规湿法制备中金属在高温煅烧阶段的团聚。
这些方法通过工艺流程的设计，使单原子一生成就处于载体强相互作用的位置，从而提高初始抗烧结性。除此之外，在反应过程中通过调控反应气氛来抑制烧结也是值得探索的方向。
例如，引入微量的助剂气体（如一氧化碳、NO等）与金属原位作用，形成暂时的表面配体，降低金属表面扩散，从而延缓烧结。
同样地，周期性氧化–还原处理可以通过在反应间歇引入氧气重新氧化分散金属，再还原激活，从而恢复单原子分散状态——类似“自修复”催化剂的概念。当然，此类操作需要小心平衡，以避免影响正常的加氢反应进行。
展望未来，单原子催化剂抑制烧结的策略将继续朝着综合、多功能方向发展。一方面，多金属/合金单原子体系可能提供新的稳定性优势。所谓单原子合金（Single-AtomAlloy）即在本质上是将一种金属以单原子形式掺杂到另一种金属的纳米结构中。
由于宿主金属晶格提供了溶剂壳，这些单原子掺杂位可以高度分散且受周围金属原子的稳定。例如Pt_1Cu合金催化剂中，单个Pt原子孤立地嵌入Cu表面，从而同时兼具单原子的高选择性和合金框架的稳定性。
有研究显示，此类单原子合金在苛刻加氢条件下对CO中毒表现出优异的耐受性，同时Pt不会像在氧化物上那样容易迁移聚集。未来可以考虑设计更多组合的单原子合金，使贵金属原子稳定地存在于廉价金属基体中，实现高效又稳定的加氢催化。
另一方面，单原子活性位的结构优化将是提高抗烧结同时兼顾性能的关键。正如前文所述，孤立单原子虽然选择性好但活性可能受限，因此若能通过控制相邻单原子之间的距离，实现邻位单原子的协同效应，就有望在保持分散的前提下提升催化性能。
这一思想已在Pd单原子氢解卤代反应中得到验证，相邻的Pd原子既不形成传统意义上的团簇，又通过相互作用加速了反应。未来在加氢反应催化剂设计中，可以考虑通过载体表面图案化的方法，将单原子预先锚定于特定相邻的位置（例如通过表面配体模板或预制二聚体位点），形成“受控间距”的单原子对或寡聚结构，以发挥协同效应而不牺牲稳定性。
这实际上是介于单原子和纳米团簇之间的一种新型结构范式，有望在稳定性和活性/选择性之间取得平衡。
总的来看，强锚定、限域保护、合金化以及结构协同等多种策略可以组合运用，以针对不同反应体系和条件优化单原子催化剂的抗烧结性能。未来研究需要重点关注以下方向：首先，继续提高单原子催化剂在还原性气氛（如富氢环境）和高温条件下的稳定性，这是实现其在工业加氢过程应用的前提。
目前许多稳定性良好的SAC是在氧化性环境下稳定，但在氢气氛中可能迅速失活，如何在载体表面引入特殊位点在金属被还原为零价时仍能稳固锚定，将是一个挑战。其次，在追求稳定的同时，确保催化性能不受损同等重要。
一些通过强相互作用稳定下来的单原子可能由于过于稳键合导致活性下降或产生不希望的产物，未来需要开发能同时提升稳定性和活性/选择性的协调策略。这可能涉及到对单原子配位环境的精细调控，如引入“柔性配体”般的载体功能基团，既抓牢单原子又不过度钝化其活性。
再次，新材料和新结构的探索依然大有可为。例如，探索耐高温的新型载体（陶瓷、氮化物、碳化物等）以及超高比表面积的支撑材料，使单原子能在更苛刻条件下保持分散。最后，将抗烧结策略应用到更复杂和实际的反应体系中也是未来方向之一。
当前大部分研究仍集中于模型反应（如CO氧化、乙炔半氢化等），而工业上重要的加氢过程（如复杂有机分子的选择加氢、长链不饱和烃加氢等）条件更为复杂，必须验证单原子催化剂在这些条件下的稳定性并找出针对性的改进措施。
可以预见，通过跨学科的协同努力，从微观机理解析到宏观工程实现，抗烧结的单原子加氢催化剂将不断取得进展，并有望在清洁能源和绿色化工领域发挥日益重要的作用。
总结
烧结行为的研究表明，单原子催化剂在加氢等热还原反应条件下面临严峻的稳定性挑战。高温和氢气氛促使单原子发生迁移并聚集成更大的金属颗粒，导致活性位数量锐减、催化剂活性下降，并可能破坏单原子原有的高选择性优势。
因此，维持单原子分散稳定是实现单原子催化剂实用化的核心问题之一。在本文中，我们综述了单原子催化剂烧结的基本概念、机制以及对性能的影响，并重点介绍了近年来发展的多种抗烧结工程策略。
通过强锚定设计、限域空间保护、载体缺陷工程以及新奇结构（如单原子合金、邻位双原子）等途径，研究者在逐步破解单原子催化剂的稳定性难题。同时，先进的原位表征技术（如AC-STEM,XAFS等）和理论计算方法（DFT,MD模拟等）的结合应用，使我们对单原子烧结过程有了前所未有的清晰认识，可指导新的抗烧结策略的理性设计。
展望未来，为了将单原子催化剂更广泛地应用于实际加氢反应过程，仍需进一步努力解决若干关键问题。首先，要针对工业加氢反应的苛刻条件（高温、高氢分压）设计超稳单原子催化剂，包括开发能在还原气氛下同样高效锚定金属原子的创新型载体和结构。
其次，需要实现稳定性与催化性能的兼顾，即在防止烧结的同时维持甚至提升单原子的本征活性和选择性。这可能要求多学科交叉，在催化、材料和理论领域协同创新。最后，将抗烧结策略从模型反应拓展到复杂化工体系，并考察催化剂在长时间运行中的结构演变和再生能力，也是重要的研究方向。
可以预见，随着对单原子催化剂烧结行为理解的加深和抑制方法的成熟，单原子催化剂在加氢反应乃至更广泛催化领域的应用前景将更加光明。
通过不懈的研究与工程化探索，我们有望真正将单原子催化剂这一催化学领域的新兴“利器”从学术好奇转变为工业上行之有效的技术解决方案，在实现高效、选择性化学转化的同时，大幅降低对贵金属资源的依赖，为绿色可持续的催化工艺作出贡献。