均相催化剂的活性中心均一，易于确立均相催化剂与反应底物的吸附关系。因此，与多相催化体系相比，均相催化体系更能有效帮助理解催化反应的机制。然而，均相催化剂存在一个大问题：不稳定。
例1，Suzuki偶联反应中常用到二价钯盐作为均相催化剂，而反应中常常需要引入碳酸钠等碱源辅助反应进行。碳酸钠经过水解，会与二价钯盐反应生成氢氧化钯，使反应的活性物种发生变化。如果催化反应前后，催化剂发生变化，那么究竟是原始的催化剂起的催化作用，还是变化之后起的催化作用呢？相比之下，多相催化剂的结构较为稳定。但多相催化体系由于尺寸效应，载体效应，表界面效应等诸多影响因素使反应活性中心难以确认，给催化机理的研究带来了困难。
例2，即使看似十分简单的反应——催化氧化一氧化碳，在传统负载型催化剂体系中企图解释反应的分子机制也仍然十分困难。在过去二十年间，已有上千篇文献报道负载型的金纳米催化剂在一氧化碳氧化中可能的作用机制，其他贵金属基负载型纳米催化剂在这一反应中的文献报道就更多了。使用传统负载型催化剂的机理研究中诸多科学问题至今尚未有统一的定论：如活性中心的指认，反应机理的确定，催化剂“构-效”关系的揭示等。一氧化碳催化氧化作为被广泛研究的模型催化体系尚且难以被彻底认识，其他复杂反应的机理研究需要更为漫长的探索。基于此，模型催化剂的构建，尤其是能在分子尺度上深入理解催化机制的催化剂体系，是解决这一类基础科学问题的重要基础。
单原子分散催化剂作为连接均相催化剂和多相催化剂的桥梁，兼具了两者的优点。
（1）具有多相催化剂稳定、易于与反应体系分离、方便反应体系表征的优点。
（2）具有均相催化剂活性中心结构均一、活性中心原子利用率百分之百、活性中心原子配位数低等优点，为催化机理研究提供了理想的模型体系。
2000年以来，单原子分散催化剂越来越受到催化、材料、化学等领域的研究者们的重视，主要源自其以下3个结构特点。
1. 原子利用率100%
在催化研究中，有一个与催化剂催化活性评价直接相关的参数：金属分散度 (metal dispersion)。金属分散度一般用大写的D表示，指催化剂表面的活性金属原子数与总金属原子数之比。显而易见，D值一般小于1。金属分散度和负载型纳米催化剂中金属纳米颗粒的比表面积及金属纳米颗粒的大小相关。一般来说，球状的金属纳米颗粒越小，金属分散度越大；不同形貌的金属纳米颗粒比表面积越大，金属分散度越大。因为只有暴露在表面的原子才能接触到催化反应体系，所以，在相同金属负载量的情况下，金属分散度高的催化剂一般催化活性较高。
当D=1时，所有的活性金属原子均暴露在表面，金属的利用率达到最大，为100%。单原子分散催化剂的金属分散度等于1，使单原子分散催化剂具有巨大的潜在应用前景。
图1. Pt1/FeOx单原子分散催化剂的HAADF-STEM表征和密度泛函建模
2. 活性中心结构均一
在表面科学中已经证实，棱，拐点，缺陷等位点对催化反应有着截然不同的影响。在传统的负载型纳米催化剂中，同样是暴露在表面的原子，化学环境也可能完全不同，这给反应活性中心的指认带来了困难。
图2. 薄膜表面terrace-step-kink (TSK)模型
单原子分散催化剂的活性中心十分均一。单原子分散催化剂的活性中心不存在金属-金属键，单原子与载体间通过氧原子 (或其他原子) 相连形成金属-氧键。所有的活性中心化学环境相同，简化了催化剂的结构模型，使理论模型的搭建和催化活性的考察都更为清晰简明，有利于深刻认识催化反应的分子机制。
有报道称，在传统的负载型纳米催化剂中真正的催化活性物种是单原子分散的物种。Maria F. Stephanopoulos教授课题组在紫外光照法制备了负载型的纳米Au催化剂之后，使用氰酸根选择性刻蚀零价的Au纳米颗粒，只留下原子级别分散的Au-OHx物种。刻蚀前后的催化剂在催化水煤气转化反应中活性几乎一样。这说明Au纳米颗粒对这一反应实际上没有贡献，而所有的活性都来源于单原子Au。因此刻蚀之后的催化剂的转换频率 (turnoverfrequency，TOF) 值远高于刻蚀之前的催化剂。通过这一实验，复杂的负载型纳米催化剂与简化的单原子分散催化剂的差别一目了然。单原子分散催化剂中，均一的活性位点为催化活性中心的指认提供了方便。
图3.低温水汽转换反应的TPSR图（加热速度：5 K/min；气氛：含有10% CO，3% H2O的He；样品质量：100 mg）
3. 活性中心原子配位数低
由于铂族金属铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、锇(Os)等贵金属的d电子轨道未填满 (除钯外)，其纳米颗粒的表面易吸附反应物，利于形成反应的活性中间体，因此贵金属纳米催化剂具有较好的催化活性。活性中心原子的配位越不饱和，与底物分子接触的几率就越大，越具有高催化活性。
单原子分散催化剂的活性中心原子一般配位数低于六。通过取代金属氧化物载体中的金属位点，或处在沸石的空腔内，单原子分散催化剂的活性中心原子具有高度配位不饱和的结构特征。配位数偏低不仅能够导致更多催化底物吸附的机会，也能在一些催化体系中影响催化反应实际发生的历程，使单原子分散催化剂的催化活性大幅度提高。与传统的负载型纳米催化剂的表面原子相比，单原子分散催化剂高度不饱和配位的活性中心原子的催化活性高数倍，甚至数十倍。
图4. NaY 沸石结构中单原子Au的配位情况
结构决定性质，单原子催化剂的这些特殊结构赋予其什么样的特殊性质？如何起作用？下一次，我们将介绍单原子催化剂的两个基本性质。
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