迄今为止，二维材料和过渡金属 SAC 因其独特的结构和电子特性已成为电催化领域的两个新兴前沿领域。通过约束效应将它们结合在一起可以产生独特的电子态，从而赋予过渡金属 SAC 材料巨大的催化潜力。过渡金属单原子催化剂（SACs）是目前电催化氧还原反应（ORR）领域的研究热点。
有鉴于此，台湾国立清华大学Chueh Yu-Lun和兰州理工大学牛文军副研究员等人，综述了近年来二维材料负载的过渡金属单原子作为高性能ORR催化剂的研究进展。
本文要点
1）由于其大的表面积、均匀暴露的晶面和可调节的电子状态，二维材料是探索ORR活性位点和表面反应的理想载体材料。系统介绍了二维材料负载的过渡金属 SAC 的合理设计原则和合成策略，同时讨论了活性位点的识别、可能的催化机制以及二维材料负载的过渡金属 SAC 在 ORR 应用中的前景。最后，根据目前ORR催化剂的发展趋势，总结了二维材料负载的过渡金属SACs未来的机遇和挑战。
2）各种基于二维纳米材料（如金属/杂原子掺杂石墨烯 g-C3N4、Mxenes、二维 MOF 和 COF 等）的新型电催化剂显示出打破催化瓶颈的巨大潜力。二维材料负载过渡金属SACs中活性位点和电子结构的可调性在ORR应用中发挥了重要作用。一方面，二维材料具有较大的比表面积、可调节的带隙结构和优异的电子迁移率，可为金属复合材料和SACs的设计带来新的研究思路。由于二维材料的表面原子几乎全部暴露在外，大大提高了金属单原子的利用率。另一方面，可以改善金属原子与载体之间的相互作用以提高单原子的活性和稳定性，增加二维材料晶格中M-Nx活性位点的数量，从而促进反应中间体的吸附和扩散。二维材料上的过渡金属单原子已经得到了深入的研究。在碱性或酸性条件下，其ORR性能与Pt/C相当，并具有良好的稳定性和甲醇耐受性。虽然基于2D材料的过渡金属SACs可以显著提高电催化活性，但在 PEMFC 的使用中取代 Pt/C 的最终目标尚未实现。
3）首先，从材料制备的角度来看，二维材料的尺寸、层数和孔结构的精确控制仍是催化领域面临的主要挑战之一。因此，目前合成的二维材料仍不能承受大量的单原子负载，无法满足高效稳定的商业化需求。其次，从表征的角度来看，了解基于二维材料的过渡金属 SAC 的精确原子配位和活性来源很重要，但这并不容易。此外，反应中间体的检测仍然是ORR面临的最大障碍之一。第三，从应用的角度来看，过渡金属单原子与二维载体之间的相互作用在提高 ORR 活性和稳定性方面起着至关重要的作用。因此，了解两者相互作用的机制是目前基于二维材料的过渡金属 SAC 的一个更严重的限制。第四，了解过渡金属SACs的活性位点以及在ORR过程中如何稳定这些活性位点对于开发更有效的ORR电催化剂至关重要。此外，需要探索更先进的原位表征技术，以便直接观察活性部位。最后，与在酸性液体电解质中的实验结果相比，催化剂层和质子交换膜厚度的增加抑制了质子和氧气在质子交换膜中的传输。
参考文献：
Wen-Jun Niu et al. Opportunities and Challenges in Precise Synthesis of Transition Metal Single-Atom Supported by 2D Materials as Catalysts toward Oxygen Reduction Reaction. Advanced Functional Materials, 2021.
DOI: 10.1002/adfm.202103558
https://doi.org/10.1002/adfm.202103558
