电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）将二氧化碳转化为具有附加值的化学品和燃料，实现碳循环利用，是解决可再生能源短缺和环境污染问题的一种解决方案。在所有催化剂中，具有固定在导电碳基底上的孤立金属原子的碳基单原子催化剂 (SAC) 显示出对 CO2RR 的巨大潜力，这促使研究人员探索用于通过 CO2RR 生产燃料和化学品的高性能 SAC。特别是，调节碳基 SAC 中金属中心的配位结构和底物的微环境已成为调整其 CO2RR 催化性能的有效策略。
有鉴于此，中科院福建物构所朱起龙研究员等人，首先简要介绍了当前CO2RR性能的原位/操作研究技术和基本参数。此外，综述了近年来调控碳基SACs原子结构的合成策略的最新进展，包括杂原子配位、配位数、双原子金属中心和底物微环境。特别强调了SACs与CO2RR的结构-性能关系。最后，概述了SACs面临的不可避免的挑战，并提出了CO2RR的进一步研究方向。
本文要点
1）由可再生电力驱动的 CO2RR 为能源和环境问题提供了有前景的催化解决方案。由于AC-HAADF-STEM、XAS、XES、ATR-IR、拉曼等非原位、原位/操作表征工具等表征催化剂和捕获中间信息的表征技术的突破，SACs在过去的十年里得到蓬勃发展。近年来，具有特定原子结构（包括配位结构和底物微环境）的碳基 SAC 的结构设计和制造策略取得了一定进展。碳基 SAC 凭借其明确的构型和优异的导电性以及引人入胜的 CO2RR 性能已经引起了广泛的研究，因此被认为是理解结构-活性关系的理想平台。
2）值得注意的是，CO2RR 的性能在很大程度上取决于活性位点的局部原子结构和底物微环境。然而，目前对用于 CO2RR 的碳基 SAC 的局部配位结构和底物微环境的研究大多处于起步阶段。同时，孤立的活性位点通常将 CO2 还原为 C1 产物，如 CO、CH4 和 HCOOH，而 CO 通常是主要产物。特别是，以 Fe、Co、Ni 为中心的碳基 SACs 很难将 CO2 还原为碳氢化合物。假设Fe、Co或Ni单原子位点对*CO的吸附能较弱，有利于CO的解吸，从而实现CO的高FE。然而，*CO和*H很难在一个孤立的活性位点上共吸附，这也阻碍了进一步的质子化过程。
3）因此，在原子水平上精确控制结构并在操作条件下表征催化剂和中间体仍然存在巨大挑战，这来自以下几个方面：a）在原子水平上制造明确的构型。b) 丰富 SAC 的还原产物。c) 设计确保传质和电子转移的基底。d)开发原位/操作技术来监测SAC结构的演化和中间产物的形成。
参考文献：
Shu-Guo Han et al. Atomically Structural Regulations of Carbon-Based Single-Atom Catalysts for Electrochemical CO2 Reduction. Small Methods, 2021.
DOI: 10.1002/smtd.202100102
https://doi.org/10.1002/smtd.202100102
