原子分散金属的单原子催化剂（SAC）是一种新型的非均相催化剂，由于其具有100%的金属原子利用率，且与传统负载的纳米颗粒催化剂相比表现出优异的催化性能，因此引起了广泛的关注。然而，由于单个原子的孤立性，通过常用的表征方法探索SACs的活性位点和催化机制具有一定的挑战性。因此，采用理论计算来确定SAC活性位点的性质和反应机理特别有意义。近年来，对SACs的研究已经较为深入，并取得了很大的进展，已发表了许多出色的研究和评论。例如，构建了一系列原子分散在Cu、Ag、Au金属基体中的铂族金属(PGM)。基于DFT和动力学蒙特卡洛（kMC）模拟的结合，全面探讨了CO中毒和催化剂稳定性等问题。

有鉴于此，天津大学巩金龙教授、赵志坚等人，从对SAC的几个重要应用的计算仿真开始，通过概述SAC的各种应用和性能描述了SAC的性质；然后讨论了SACs的独特的和最基本的特性。最后概述了SAC的理论计算研究所面临的挑战和未来前景。

本文要点

1）首先详细讨论了SAC的独特特性，特别是动力学，SAC与载体的强相互作用以及电子变化，并对SAC理论研究的前景进行了展望。然后，从理论计算的角度，重点研究了SAC在不同反应中的催化机理。

2）探索催化机理的实质是对催化剂活性位点的合理认识，SACs也不例外。SAC定义为表面仅含有孤立的单金属活性位点的负载型金属催化剂，而单金属原子被认为是相关反应中的催化活性中心。由于单金属原子与载体的相互作用以及载体的多样性，SACs参与催化反应的活性位点的真实成分仍然不明确。与单活性中心仅包含一种活性中心的单活性中心催化剂不同，与单金属原子配位的原子极有可能作为共催化活性位点参与反应，甚至一些研究证明了这一点。关键的催化特性也由相应的载体确定。然而，在催化反应过程中，单金属原子的配位环境复杂、不均匀、动态，使得活性位点难以确定。

3）构建更逼真的仿真模型是探索SAC催化活性本质的不可忽略的方面。纯SAC几何结构的清晰性为理论仿真提供了理想的模型。结合相关的实验表征，通过确定单个金属中心的局部配位环境，可以方便地构建基本理论模型。通常，理论模拟的主要过程是在理想条件下进行的，例如超高真空。然而，确定符合实际实验条件的反应机理对于探索SAC也是至关重要的。实际上，实际的反应气氛很复杂，其中包括反应物，环境分子，pH值和溶剂化问题。环境与反应中间体之间的相互作用在催化机理的探索中起着重要作用。另外，在催化相应反应期间SAC的重构也是一个不能忽视的问题。

参考文献：

Lulu Li et al. Theoretical insights into single-atom catalysts. Chem. Soc. Rev., 2020.

DOI: 10.1039/D0CS00795A

https://doi.org/10.1039/D0CS00795A