在过去的十年中，单原子催化材料（SACM）被用以催化具有高倍率和容量性能的先进电池系统，包括锂硫电池，锌空气电池，燃料电池和其他储能电池。通过各种合成策略和技术，研究人员开发了不同的SACM，并研究了它们对电池转化动力学的催化作用，以致力于解决下一代电池中的关键问题。近日，哥伦比亚大学陈曦教授课题组撰写了一篇综述旨在总结SACM的合成策略，制造技术，表征方法，以及它们在高级电池系统中的应用和理论转换机制。然后，就电池中SACM的现有挑战和机遇进行了一些讨论，同时着眼于在以后的工作中研究新的解决策略和研究方向。

文章要点：

1）根据概念和技术两个标准对单原子催化剂合成的最新进展进行了分类。（1）从为了实现和保持单核金属的孤立分散，重点是防止合成和催化反应过程中单个金属原子的迁移和结块这一概念出发，SACM的合成策略主要有i: 空间限制策略（将单个原子限制在分子级笼中以避免迁移）；ii：缺陷工程策略（在支撑体上构造缺陷，该缺陷可以修饰电子结构并与单个金属原子配合。各种缺陷可以分为空缺和非空缺。常见的空位包括阳离子空位，氧空位，硫空位，氮空位等。没有空位的缺陷可能是台阶边缘和晶格缺陷）；iii：配位设计策略（利用单个金属原子和配位原子之间的稳定键紧密地捕获单个金属原子，这对于防止团聚至关重要）。（2）从技术手段上出发合成策略主要有i：ALD方法（气态前体分子与固体基质表面之间的自限二元反应进行的薄膜生长技术）；ii：湿法浸渍（使SACM在理想的开放载体上（尤其是具有纳米结构的载体）获得理想的定位，在热处理或光化学处理之前，湿法浸渍是一种有效果的选择）；iii：热解法（通过还原前体来生成单原子催化剂）；iiii：光化学法（涉及光子吸附和电子激发态的光化学溶液相反应）；iiiii：球磨法（高能球磨还能够破坏和重建分子的化学键，因此可用于合成单原子催化剂）；iiiiii：冰化学方法（经过超低温处理后，由于冰晶格的自然约束作用，水溶液可以非常快速地冷冻，形成具有均匀浓度的单个金属原子的冰层）。

2）单原子催化剂的表征主要有：（1）形态表征（确定单原子催化剂的形态，传统的SEM或TEM的分辨率不足以检测孤立的原子，而一些先进的技术，例如球差校正透射电子显微镜（AC-TEM），HAADF-STEM，和扫描隧道显微镜（STM）可以促进对SACM的形态学了解）；（2）结构表征（为了防止纳米团簇的烧结，通常将单个原子牢固地嵌入载体中。因此，活性中心的构型在保持原子分散方面起着至关重要的作用。另外，配位环境可以改变催化剂的选择性。因此，检测SACM的局部结构可以增进对它们的制造和反应过程的了解。主要包括：X射线吸收近边缘结构（XANES）光谱和扩展的X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱，傅立叶变换红外光谱（FTIR），电子能量损失谱（EELS）和能量色散X射线谱（EDS），Mössbauer光谱学等）；（3）质量载荷表征（SACM中目标原子的质量负荷（表明活性位点的密度）是最终催化性能的关键因素，表征手段包括：热重分析（TGA），电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES），X射线光电子能谱（XPS）等）；（4）其他表征（可以采用其他简便的技术来间接表征SACM，包括XRD和TEM方法）（5）理论表征，SACMs出色的催化性能不仅可以归因于其几何结构（原子分散），还可以归因于其电子性能（不存在金属-金属键以及活性位点的阳离子（有时是阴离子）性质）。因此，催化位点形成的理论表征可以帮助我们在将来设计和预测SACM。主要手段有：光谱拟合，能量优化，电子分析等。

3）总结了在先进电池系统中的应用包括：（1）用来保护锂电池锂金属负极（目前还处于初级阶段）；（2）锂硫电池应用（SACM修饰正极，SACM涂层分离器，）（3）在钠电池中，单原子催化剂在应用于钠金属阳极时与锂电池具有相同的原理，可以用来保护钠负极；（4）钠硫电池中的应用（SACM修饰的正极）；（5）锌空气电池（SACM修饰的正极）。

4）SACM在先进电池中遇到的挑战以及解决方案主要有：（1）SAMC中的单原子质量负载仍保持在较低水平（小于8 mg cm^-2）是因为单个原子易于以高质量负载水平聚集，从而导致电池的电化学性能较差，通过根据目标电池系统的结构和性能要求进行高通量计算，可以预先筛选和预测合适的金属和基体材料的最佳匹配。（2）由于缺乏有效的固态器件原位表征技术，在先进的电池系统中SACM的电化学转化机理尚未在实验验证中得到足够清晰的阐明；（3）SACM的高生产成本是在电池市场上替代传统材料的最大障碍，期望通过简单，温和的合成技术，低能耗（低σ商业生产模式）寻求低成本的金属前体和支撑材料。

总之，由于SACM对先进电池系统的促进作用可能会带来可观的经济利益和科学意义，因此，值得具有不同学术背景的科学家进行持续的研究热情，以克服关键的科学和技术问题，以促进基于SACM的储能设备的商业化。

Chao Lu, Ruyue Fang, and Xi Chen, Single-Atom Catalytic Materials for Advanced Battery Systems, Adv. Mater., 2020

DOI: 10.1002/adma.201906548

https://doi.org/10.1002/adma.201906548