从水中规模化制氢的关键挑战在于合理设计和制备高性能且地球储量丰富的电催化剂，以替代贵金属 Pt 和 IrO2 进行析氢反应 (HER) 和析氧反应 (OER)。虽然M-N-C原子材料在多相催化领域得到了广泛的研究，但碳质底物抗氧化能力的不足阻碍了其在OER中的实际应用。开发高效、稳定的OER电催化剂是实现电化学水裂解的关键。
有鉴于此，吉林大学管景奇副教授等人，综述了制备无碳单位点催化剂的可行设计策略及其在HER/OER和整体水裂解中的应用。详细讨论了HER和OER电催化剂的结构、组成与催化性能之间的本构关系，为合理构建高性能的HER和OER电催化剂提供了有价值的见解。并对电化学水裂解单位点催化剂面临的挑战和未来的研究方向进行了展望
本文要点
1）系统地综述了近年来制备无碳单位点催化剂的研究进展，包括HER、OER和整体水裂解催化剂。虽然目前已开发了几十种制备单位点催化剂的合成方法，但用于HER和OER的无碳单位点催化剂的制备方法仅采用湿化学法、水热合成法和化学气相沉积法。单位点催化剂中单金属位点的负载密度较低，限制了其实际应用。此外，与碳基材料相比，无碳载体通常具有更低的比表面积，从而更难以固定高密度孤立的单原子。因此，开发一种通用的方法来将高密度的金属原子固定在无碳多孔载体或具有原子分散和系统调节活性位点的二维材料上，是清洁能源应用的迫切需要。
2）与原始载体相比，无碳单位点催化剂电催化活性的增强来自以下三个方面。(I)掺杂的单金属位点本身表现出较高的HER或OER活性。(II) 掺杂的单金属位点和载体之间的协同反应机制提高了电催化性能。(III) 掺杂的孤立金属位点导致载体的晶格应变，从而提高电催化性能。这些发现为合理设计用于电催化应用的高性能单位点催化剂提供了指导。
3）目前，用于整体水裂解的无碳单位点催化剂的主要瓶颈是在高电流密度下长时间运行的过程中，孤立的金属位点稳定性不足，特别是在氧化条件下运行的阳极OER。为了提高HER和OER单位点电催化剂的耐久性，可以考虑以下可能的策略。（i）从HER/OER火山图中选择合适的活性金属位点。 (II) 在不同电解质中，应合理选择抗浸出性高的活性金属。(III) 高度稳定的载体有利于长时间运行的电催化操作。 (IV) 孤立的金属原子应结合到无碳载体的晶格中，而不是悬浮在表面上。 (V) H*吸附吉布斯自由能和 H2 分子在单位点催化剂表面的解吸可以针对 HER 进行优化。(VI) 优化 OER 单位点催化剂表面的反应中间体（如 O*、OH* 和 HOO*）的结合能。 (VII) 在HER/OER过程中，单位点催化剂应具有良好的电荷转移和质量扩散能力。 (VIII) 单位点催化剂具有较大的比表面积和丰富的活性位点，可促进HER/OER并延长耐久性。(IX) 通过理论模拟合理设计具有稳定活性位点的单位点催化剂。
参考文献：
Jingqi Guan et al. Recent progress and prospect of carbon-free single-site catalysts for the hydrogen and oxygen evolution reactions. Nano Research, 2021.
DOI: 10.1007/s12274-021-3680-9
https://doi.org/10.1007/s12274-021-3680-9
