单原子催化剂（SACs）因其优异的催化活性和对不同化学反应（包括一氧化碳氧化，氢化，脱氢和电化学反应）的独特选择性而备受关注。SACs和其他类型催化剂之间最显著的区别是它们独特的单原子位点，这既提高了原子利用效率，又通过吸附和活化过程调节了反应物和金属原子之间的相互作用。然而，由于其高度不饱和的配位环境，非均相负载的单原子具有显著增加的表面自由能，这可以导致它们聚集成纳米颗粒，尤其是在高金属负载量下。研究发现，将金属单原子作为催化剂来促进原子层沉积（ALD）前体的离解，将有极大可能来合成SACs。目前，这种使用表面单原子作为催化剂的新型SACs合成策略尚未被报道过。

基于此，加拿大西安大略大学孙学良教授，南方科技大学Jun Li，谷猛，加拿大国家光源Ning Chen报道了首次用氮掺杂碳纳米片负载的Pt单原子（Pt₁/NCNs）作为催化剂，通过ALD成功合成了Co SAC，进而验证了上述策略。

文章要点

1）X射线吸收光谱（XAS）结果表明，Co₁原子呈单分散态。有趣的是，XAS和大角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）证实，在Co沉积后，Pt₁原子仍然是原子分散的。

2）研究发现，这种合成策略具有通用性，可以很容易地扩展到获得Fe和Ni SACs。X射线吸收近边结构（XANES）模拟和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析结果表明，所得到的Co、Fe和Ni SACs为M₁-吡咯-N₄结构（M=Fe、Co和Ni）。

3）密度泛函理论(DFT)计算表明，Pt₁原子促进Co(Cp)₂裂解成CoCp和Cp碎片。Co(Cp)产物通过强烈的化学吸附进一步沉积在基底上，从而导致较高的金属负载量和Co₁原子的形成。

4）研究人员通过析氢反应（HER）对这些SACs进行了性能研究，并通过operando XAS研究揭示了单原子位点的性质。此外，在析氧反应（OER）中，Ni₁ SAC表现出比Fe₁和Co₁SAC更高的活性，这与DFT的预测结果相一致。

参考文献

Li, J., Jiang, Yf., Wang, Q. et al. A general strategy for preparing pyrrolic-N4 type single-atom catalysts via pre-located isolated atoms. Nat Commun 12, 6806 (2021).

DOI：10.1038/s41467-021-27143-5

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27143-5