单原子催化剂包含分散在载体表面的孤立的单金属原子，代表了原子催化效率的极限，具有高选择性，可调节的高活性和独特的金属配位环境等优势，在氧化反应，加氢反应，电催化、光催化等众多反应中具有巨大的应用潜力。尽管在合成SA催化剂方面取得了较大的实验进展，但从金属纳米颗粒(NPs)到金属SAs的原子尺度转化机理以及SA催化剂在高温下的稳定机理仍不明确。然而，由于SAs过量的表面自由能，它们在高温下倾向于聚集成颗粒，这被称为热失活或烧结。因此，通过在不同载体上形成强金属-载体相互作用来提高SA的热稳定性。在其中一些实验中，在高温下观察到从纳米团簇到SA的转变。但是，鉴于SA是在原子尺度上形成的，而且转化发生的时间是毫秒，因此仅靠实验才能揭示这种反向分散的潜在机理是一项挑战。为此，希望通过对NP-to-SA过程进行全面的原子模拟来破译这种潜在的机制，以捕获在短时间内发生的关键原子尺度事件。

有鉴于此，马里兰大学李腾教授与西安交通大学申胜平教授等人，通过系统的分子动力学模拟，首次揭示了以金为模型材料，在有缺陷的碳表面上，金属NP在高温下转变为一系列稳定SAs的原子尺度机制。

本文要点

1）模拟揭示了在高温下碳表面缺陷在捕获和稳定Au-SAs的关键作用。碳材料表面的空位使碳原子的悬挂键与金原子形成共价键，增加碳材料表面的空位能够促进单原子的完全分散。这种原子尺度的转换机制具有Au-NP分解为Au-SA的低能垒和高Au-C结合能，从而稳定所得的Au-SA。

2）反应性模拟表明，在甲烷高温氧化过程中，热稳定的Au-SAs表现出比Au-NPs更好的催化活性，其中大幅度降低氧化反应步骤中的能垒是关键。金单原子催化甲烷氧化的效率可以高达金纳米颗粒催化效率的4倍。

总之，该工作为高温稳定金属SA催化剂的材料选择和最佳合成条件提供了机械和定量的指导。

参考文献：

Lianping Wu et al. Stabilizing mechanism of single-atom catalysts on a defective carbon surface. npj Comput Mater, 2020.

DOI: 10.1038/s41524-020-0292-y

https://doi.org/10.1038/s41524-020-0292-y