开发替代传统能源的电催化能量转换技术有望解决化石燃料的枯竭和相关的环境问题。探索稳定、高效的电催化剂对于这些技术的推广至关重要。单原子催化剂(SACs)在载体上具有原子分布的活性位点，是催化领域的新兴材料，具有广泛的应用前景。合理设计的近程配位环境、远程电子相互作用和配位域的微环境对SACs的反应机理和相关催化性能有很大影响。
有鉴于此，南洋理工大学楼雄文教授，对用于电催化还原CO2和水分解的原子分散反应中心的一些最新进展进行了综述。基于各种原位表征研究的最新进展，阐述了催化机理和潜在的结构-活性关系。最后，通过强调单原子催化发展的挑战和前景，有望为今后电催化能量转换的SACs研究提供一些启发。
本文要点
1）SAC具有独特的几何结构和电子结构，在过去十年中取得了巨大的进步，并在非均相催化方面表现出优异的性能。SAC还通过在异质载体上提供均相分散的反应中心，为桥接均相和异相催化提供了一个平台。从催化剂的构建，表征，性能评估和机理解释等方面，对SAC的理解已迅速发展。
2）尽管取得了初步的成功，但SAC的开发和应用仍然存在许多挑战。阐述了一些应对未来挑战的未来观点，研究方向和可能的解决方案：1）提高SAC的孤立反应中心的负载量对于满足多相催化的实际应用需求至关重要，也是SAC发展的主要挑战之一。因此，增加锚位点的数量和通过加强金属-支撑相互作用来提高锚定能力是构建SAC的理想条件。此外，设计具有特定结构的催化剂是优化和提高催化剂催化性能的有效策略。此外，基于机器学习的设计策略成为一种新的发展趋势，可能为高效合成催化剂提供指导。2)调节SACs配位环境的研究还处于早期阶段。用杂原子修饰反应中心的第一个配位环境，为进一步研究反应中心的内在活性提供了广阔的前景。此外，调节反应中心的配位数也是调节催化性能的一种简便方法。由于许多催化反应都涉及复杂的多步反应过程，配位环境是活化中间体的重要因素。在今后的研究中，应强调孤立中心与配位原子之间的电子耦合以及非金属原子的相关催化活化作用。3）近年来，SAC的表征技术也在飞速发展，可以提供有关SAC总体结构的更多详细信息。载体中缺陷的存在已经得到了精确的表征，并且通过引入隔离的活性中心来产生新缺陷正在深入研究中。然而，在缺陷数量的控制、缺陷的量化及其对SACs的积极影响方面仍存在许多挑战。因此，利用组合技术对这些缺陷进行量化，并建立催化性能与缺陷之间的关系就显得尤为重要。此外，跟踪缺陷的演变并在反应条件下进行缺陷的实时观察，对于弄清楚缺陷与孤立的反应中心之间的强电子耦合以及加深对SACs性质的了解非常有帮助。最后，应尽可能识别和量化缺陷对催化性能的贡献，并有可能使某些缺陷成为真正的活性中心。4）尽管对SACs的开发投入了极大的关注，但只有很少的报道涉及在异质载体上进行双核和多核物种的构建。成熟的颗粒基催化剂和SACs之间的差距仍然非常明显。最近开发的用于构造原子精确的金属团簇的逐原子策略为桥接SAC和基于粒子的催化剂带来了巨大的希望。随着该领域的发展，出现了单团簇催化剂的新概念，应将其发展为多相催化研究的新领域。尽管SAC代表了最大的原子利用率，但这并不一定意味着针对特定反应类型的最佳催化性能。小于1 nm的亚团簇还具有高的原子利用率和强量子效应。沿着这一方向的研究将为结构活性相关性提供新的理解。5）虽然在探索能源转化方面进行了深入的研究，但应该更多地关注在更广阔的领域扩大SACs的应用，特别是那些重要的工业转化过程。Fe和Co纳米粒子被广泛应用于热催化费托合成中。但是，SAC在此领域的应用受到很大限制。孤立的Co或Fe中心可能在Fischer-Tropsch反应中提供更高的选择性和活性。此外，已证明装饰有Pt颗粒的沸石是重油加氢裂化的有效催化剂。在加氢裂化的应用中，应该开发和评价基于Pt的SACs或孤立团簇催化剂。6)实验研究和DFT计算的协同效应极大地促进了催化的发展。通常，理论计算是在势能面的概念内进行的，其中简化的结构模型是在理想状态下在稳态下考虑的。随着计算技术的快速发展，需要在现实条件下对特定反应类型进行模拟，建立更精确的结构模型，从而对结构性质和相关反应机理有更全面的了解。此外，数据科学的发展使得应用大数据策略发现潜在的结构-性能关系成为可能，这为预测筛选材料的催化性能提供了很大的机会，最终为设计和开发新型催化剂提供了一个平台。7)最近的研究表明，原位XAFS和FTIR技术已成为监测分子水平反应中心演变的强大工具。所得结果强调了各种催化反应机理的复杂性。然而，所有这些进展仍远未充分理解反应中心的性质。许多能量转换过程涉及多步反应，反应中间产物不明，真实活性中心不明，反应机制未被证实，这极大地阻碍了对SACs和能量转换过程的整体理解。因此，为了全面了解反应，揭示反应中心的性质，迫切需要利用特殊反应池进行全面的operando表征技术。例如，将XAFS技术与x射线光电子能谱和拉曼技术结合在operando的研究中，可以获得更全面的结构演化信息，这些信息与配位几何形状，氧化态和相关的反应中间体高度相关。
参考文献：
Xiong-Wen (David) Lou et al. Atomically Dispersed Reactive Centers for Electrocatalytic CO2 Reduction and Water Splitting. Angew., 2020.
DOI: 10.1002/anie.202014112
https://doi.org/10.1002/anie.202014112
