氧还原反应（ORR）是现代社会可持续能源供应和化学品生产的重要过程。单原子催化剂 (SAC) 在最大原子效率、高 ORR 活性和稳定性方面表现出巨大潜力，使其成为寻求下一代催化剂的有吸引力的候选人。尽管在构建单原子活性位点（SAAS）方面做出了大量努力，但所得催化剂的性能仍然不尽如人意。幸运的是，SACs的微环境调控为ORR活性和选择性的提高提供了机会。近年来，出现了许多通用的制备SACs和进一步调整单原子位点微环境用于高效氧还原的方法。
有鉴于此，南昌大学陈义旺教授和袁凯教授等人，综述了单原子催化剂微环境工程用于氧还原活性和选择性调控的新进展。
本文要点
1）首先展示了 N 配位 SAAS 上的 ORR 作用机理、电化学评估和 SAAS 的表征。此外，系统总结了调节 SAC 微环境的最新进展，特别是详细介绍了提高SACs固有4e-/2e- ORR活性和选择性的微环境调控策略。理论计算和尖端表征技术相结合，以从根本上理解合成-构造-性能的相关性。此外，还全面概述了构建 SAAS 和调整其微环境的技术，以获得性能优异的 SAC。最后，通过对 SAC 和微环境工程所面临的挑战进行了展望，指出ORR SACs和其他类似催化剂的未来发展方向。
2）SACs在异相催化领域取得了巨大的进展。理论上，SACs在表面上暴露的所有金属原子，可以达到100％的原子利用效率，具有降低贵金属催化材料成本的巨大潜力。SACs还具有均匀分布的活性位点，结合了均相和异相催化剂的优点。对于ORR，独特的微环境在提高活性，选择性和稳定性方面发挥着决定性作用。此外，由于孤立原子和宿主的强结合作用，宿主的结构和电子性质也可由锚定的单个原子改变。因此，微环境的合理调节为设计非贵金属ORR SACs提供了机会。
3）准确控制单原子位点的负载和微环境以及评估单原子位点的内在活性仍然存在挑战。未来的研究方向包括：（a）SAAS负载和微环境的精准控制，高温处理是制备高效 ORR SAC 最常用的方法，但也是一个高能耗的过程，尤其是材料成分不可预测。（b）SACs ORR 的电化学评价（c）确定ORR活性位点结构，大多数碳基SAC通常呈现多种类型的成分，包括杂原子配位金属、杂原子掺杂碳、碳空位或边缘位点，因此，对于真正的活性位点仍然存在争议。（d）SAC 上 ORR 的实际过程，ORR 是许多能源相关设备的核心，涉及多步电子转移过程和复杂的含氧中间体。（e）SAC 的更广泛应用，除ORR外，SACs还代表其他电化学转化，包括电催化(如析氢反应、CO2还原反应、氮还原反应)、热催化(如糠醛加氢、费托反应)、有机催化(如Suzuki-Miyaura 反应)、光(电)催化、甚至是酶催化。
参考文献：
Longbin Li et al. Recent Developments of Microenvironment Engineering of Single-Atom Catalysts for Oxygen Reduction toward Desired Activity and Selectivity. Advanced Functional Materials, 2021.
DOI: 10.1002/adfm.202103857
https://doi.org/10.1002/adfm.202103857
