长期以来，缩小催化剂尺寸一直用于提高催化剂的原子利用效率。单原子催化剂（SAC）是这条缩小规模之路的当前终点，与传统的纳米颗粒催化剂相比，单原子催化剂具有100％的金属原子利用率和出色的催化性能的潜力。然而，由于对SACs的独特性质及其构效关系的认识不足，SACs的大部分开发仍依赖于试错实验。

有鉴于此，美国加利福尼亚大学黄昱教授等人，通过总结对单原子活性位点的独特性质、反应过程中活性位点的动态变化以及相应的反应机理的认识，探讨了SACs的合理设计之路。精确控制合成，先进的operando表征以及发现非常规催化机制是未来SACs研究的主要挑战和机遇。

本文要点

1）SACs独特的结构使其具有通过双位点和多中间体吸附来打破常规尺度关系的潜力，使其在电化学能量转换的各种应用中具有吸引力。与表面具有非均相活性位点的纳米颗粒催化剂相比，SACs具有明确的原子位点，以减少结构/组成的复杂性，用于机理研究。准确描述SACs的结构与性能之间的关系，有助于新型SACs乃至其他类型催化剂的合理设计和优化。

2）目前，由于对单原子位点均匀性的论证不足，以及对催化反应过程中单原子活性中心动态变化的认识有限，影响了对SACs构效关系的理解。除了基本考虑之外，在实际应用中SACs的催化活性可能受到活性位点密度低的限制，这是金属负载量和均匀性之间的折衷选择。需要努力进行精确控制的合成具有均匀，定义明确和密集分布的活性位点的所需SAC结构。此外，非常需要进一步改进operando技术以探测SAC的结构演变以及它们在工作条件下与中间体的相互作用。

3）尽管确定性合成和operando表征面临挑战，SACs为研究人员探索独特的催化机制提供了巨大的潜力。从单晶表面到纳米催化剂，在过去的几十年里，从实验和理论两个方面都见证了持续发展。同样，为SAC开发新的理论也将需要大量的综合实验工作。尽管大量研究利用传统理论来分析和解释SAC的行为，但非常规反应机制已经出现，鉴于SAC独特的几何和电子结构，应继续对其进行广泛的探索。总之，实现SACs的合理设计的先决条件是实现明确的合成和对单原子催化的全面理解。

参考文献：

Bosi Peng et al. Toward Rational Design of Single-Atom Catalysts. J. Phys. Chem. Lett., 2021.

DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c00049

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c00049