原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）作为催化科学领域的革命性材料，其定义是将孤立的金属原子通过化学键锚定在特定载体表面形成的催化剂。载体在SACs中发挥着多重关键作用，直接决定了催化剂的稳定性、活性和选择性。
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。
载体的核心功能
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活性位点锚定：载体表面通过缺陷位点（如氧空位、氮空位）或杂原子（N、S、P等）提供化学键合位点，防止金属原子迁移团聚。例如氮掺杂碳载体中吡啶氮原子对Cu单原子的锚定作用，使催化剂在反应中保持稳定。
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电子结构调控：载体与金属原子间的电子转移效应可优化d带中心位置，改变反应中间体的吸附强度。
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反应微环境优化：载体的孔道结构和表面性质可富集反应物或排斥副产物。
根据化学组成与结构特征，单原子催化剂载体主要分为以下几大类：
金属氧化物载体
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“捕获”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。
1、金属氧化物载体的优势
2、典型的载体材料体系与应用
碳基材料载体
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，以其高导电性、大比表面积和可功能化表面成为催化领域的首选材料。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。
1、碳基载体的优势
2、典型的载体材料体系与应用
有机框架与分子筛载体
金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）作为新兴载体，凭借周期性孔道结构和原子级可设计性，为单原子催化提供了理想平台。
分子筛的刚性晶体结构、开放的孔道以及可调酸碱性为单原子催化提供独特微环境。
二维材料载体
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。
1、二维材料载体的优势
2、典型材料体系与应用
总结
SACs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。
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。但当前技术仍然存在例如：酸性/高温稳定性不足、宽工况适应性差以及规模化制备的瓶颈。深入理解不同载体材料的特点与调控机制，从单一组分向复合功能化演进，从静态结构向动态响应跨越，载体与活性位点的协同设计将成为突破现有催化性能极限的关键路径，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。
本文源自微信公众号：催化镁少女
原文标题：《单原子催化剂的常用载体》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/DwcKq_JJBZ98QG0aFtH0vA
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