单原子催化剂（SAC）以其100%的分散性、高度不饱和的配位环境和均匀的反应中心等特点，在催化领域大放异彩。可以说每周都有大量的高质量论文出现（可能太笼统），
单原子催化剂的开发及应用到底还有多少“宝藏”待挖掘，是否已经达到饱和，要想突破该如何下手？这些问题都有待更加专业的人来回答。今天笔者就总结一下2019年以来单原子催化剂在Nature和Science系列期刊及大综述上发表的重磅级成果。供大家参考交流！（能力有限，肯定会有遗漏，请指正！）
1、Nature Commun.：笼状亚纳米腔体稳定Pt单原子催化剂的新策略
日本东京工业大学的叶天南助理教授与Hideo Hosono教授和华中科技大学肖泽文教授等人合作提出了利用结构明确的12CaO·7Al2O3(C12A7)晶体表面的笼状亚纳米腔体稳定Pt单原子催化剂的新策略。这种方法利用了分离的金属阴离子与C12A7带正电荷的表面腔之间的相互作用，可以在高达600°C的还原条件下合成稳定的负载型Pt单原子催化剂。合成的催化剂具有很好的稳定性，对硝基芳烃的选择性加氢反应表现出优异的催化活性，比成熟的铂基催化剂的周转频率高得多(高达25772 h−1)。高催化活性和选择性来自于稳定的单个Pt原子的形成，这导致氢分子在反应中发生异裂，该反应涉及将硝基选择性吸附在C12A7表面上。
该工作通过理论预测和实验设计相结合的方式，设计制备了稳定Pt/C12A7单原子催化剂。Pt单原子的稳定化是通过C12A7中腔纳米结构的独特限域作用实现的，空穴的表面不饱和氧位与单个Pt原子配位，显着增强了金属与载体之间的相互作用，而且在还原温度高达600℃的条件下，C12A7上原子分散的Pt仍具有出色的稳定性，制备的Pt/C12A7对硝基芳烃选择性加氢反应表现出优异的催化活性和选择性。该工作为设计制备高稳定性的单原子催化剂提供了一种新的通用策略。
Nat. Commun., 2020
DOI: 10.1038/s41467-019-14216-9
2、Chem. Rev.综述：从纳米催化到单原子位点催化
基于近几年金属催化由纳米尺度向单原子位点、团簇尺度演变，催化领域产生了一系列具有深刻影响力和启发性的研究成果。
清华大学李亚栋、牛志强研究团队近期发表于Chem. Rev. 期刊的综述文章系统地阐述了纳米催化和单原子位点催化方面的研究成果，展示了研究者从上个世纪以来在纳米催化领域所取得的诸多成就和近几年在单原子位点催化领域的新进展。综述讨论了纳米/单原子位点催化剂的合成策略、构效关系以及新型纳米/单原子位点催化剂在基础化学工业、精细有机化工、能源转化催化以及环境催化中的应用。 Chem. Rev., 2020
DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00311
3、Nat. Mater.：Co–N4类单原子电催化剂实现电合成H2O2
韩国基础科学研究所（IBS）纳米研究中心Taeghwan Hyeon, Yung-Eun Sung等联合首尔大学Jong Suk Yoo，在第一性原理计算的指导下，发现Co-N4催化性质可以通过微调其周围原子构型来调整优化，利用这一原理，他们设计并合成了优异的Co–N4类单原子电催化剂。
作者通过实验和理论，论证了单原子催化剂中金属中心周围的原子构型会影响电催化合成H2O2的活性。基于此，作者合成并优化了Co-N4/石墨烯催化剂的催化性能，其在宽的pH范围内展现了高活性。在0.65 V电位下，该催化剂的动力学电流密度可达2.8±0.2 mA cm-2，质量活性可达155±6 A g-2。作者相信，这一研究结果将对原子配位环境和催化性能之间的基本关系有进一步理解。
Nat. Mater., 2020
DOI: 10.1038/s41563-019-0571-5
4、Adv. Mater.综述：单个过渡金属位点用于水氧化，从单核分子催化到单原子催化
阿德莱德大学王少彬教授，澳大利亚艾迪斯科文大学孙红旗教授等人在原子水平上讨论了以单个过渡金属(TM)原子位点为活性中心的单核团簇，负载型单核团簇和单原子催化剂的催化水氧化，重点阐明了其构效关系, 三种不同类型水氧化催化剂之间的相似点，区别以及联系。
三种单活性位点催化剂用于水氧化的异同点：如相似的活性控制因素（配位原子、几何结构和电负性），相似的设计原则和相同的合成条件，以及可相互对比的水氧化性能；不同点如不同的配位单元和种类，不同的水氧化应用（团簇侧重与光催化，化学催化；而单原子侧重与电催化）等，最后，作者对单活性位点催化剂用于催化水氧化进行了总结，并进一步展望了这几种类型催化剂所面临的挑战及有可能应用于更广泛的催化反应中的发展前景。
Adv. Mater., 2020
DOI: 10.1002/adma.201904037
5、Nat. Comm.：级联锚定策略低成本宏量制备高载量单原子分散金属-氮催化剂
在单原子催化剂中，锚定在碳基底上的具有 M-Nx 结构的单原子金属氮类催化剂受到了研究人员广泛关注，其在很多催化应用领域表现出卓越的性能，但其形成需要高温，使得规模化制备这种高密度 M-Nx 结构的单原子催化剂困难重重。鉴于此，化学所胡劲松等人发展的一种级联锚定的新策略，只需要将载体、络合剂与金属盐液相混合，再与氮源混合热处理即可，制备过程简单，原料廉价易得。实现了一系列高载量单原子分散金属-氮（M-Nx）催化剂的低成本宏量制备。通过多种表征方法证实该策略制备得到的催化剂为单原子金属分散状态，形成了 M-Nx 活性位点，金属载量高达 12.1 wt%，可实现实验室批量化制备。通过一系列的对比实验证实了级联锚定策略的必要性。所制备的具有高密度原子级分散的 M-Nx 催化剂表现出优异的电催化性能。本文为单原子催化剂的低成本宏量制备提供了新的思路，也为单原子催化剂的实用性奠定了基础。
Nat. Comm., 2019
DOI: 10.1038/s41467-019-09290-y
6、Nat. Cat.: 表面应变调控单原子 Ru 的电子结构，显著提高 OER 活性
中科大吴宇恩教授等人通过依次酸刻蚀、电化学清洗的方法，构建出一系列单原子 Ru 负载的 PtCu 催化剂；并通过高分辨率电镜（HAADF-STEM）、原位 XAFS 等手段解析催化剂空间结构、配位环境以及氧化态。研究表明：Ru 原子在催化剂中呈现单分散状态。OER 活性与 PtCu 合金载体的晶格常数呈现火山型曲线关系。催化剂 ｢Ru1-Pt3Cu｣ 综合性能最优，电流密度达到 10 mA cm-2 的条件下，过电势降低了90 mv，催化剂寿命高于商业 RuO2 一个数量级。DFT 计算表明，Pt 表面的晶格应力影响 Ru 原子的电子结构，从而最优化氧物种的键合方式，最终实现抗过氧化与抗溶解。
Nat. Cat., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0246-2
7、Nat. Commun.：Pt-Cu单原子合金催化剂实现甘油高效氢解
北京化工大学的卫敏、洪崧和张欣以及中国科学院高能物理研究所的郑黎荣等报道了一种Pt-Cu单原子合金(PtCu-SAA)催化剂，通过水滑石前体(CuMgAl-LDH)的结构转变和刻蚀置换外源引入两步法将Pt以原子级分散状态掺杂在Cu纳米团簇的表面上。通过AC-HAADF STEM、原位CO-DRIFTS和原位EXAFS等精细表征证实形成了SAA，其中Pt原子被Cu原子完全隔离。甘油氢解生成1,2-丙二醇的转化率为99.6%，选择性为99.2%TOF值高达2.6x103molglycerol molPtCu-SAA-1h-1，是目前多相催化剂中反应活性最高的催化剂。结合原位甘油同步辐射，原位甘油红外，理论计算等精细结构表征，证明了：单个Pt原子促进了甘油分子中C-H键的活化吸附，而端基C-O键在相邻的Cu原子上发生解离吸附。因此，这种界面协同催化改变了甘油氢解的反应路径、降低了反应活化能。
Nat. Commun., 2019
DOI:10.1038/s41467-019-13685-2
8、Nat. Commun.：单原子Co引起MoS2相转变
吉林大学的崔小强，郑伟涛和北京大学的郭少军等研究人员报道了一种界面催化剂其在酸性电解液中具有类Pt的HER活性。该界面催化剂由原子钴与扭曲的1T MoS2纳米片共价结合组成(SA Co-D 1T MoS2)。晶格失配引起的应变以及Co ND与2H MoS2纳米片之间共价Co-S键的形成被认为是MoS2从2H转变为D-1T相的主要原因。DFT计算证实，该单原子催化剂的高HER活性主要归因于MoS2(111)载体中Co原子和S的协同作用，改变了催化剂的H吸附模式。该催化剂的发现突出了在原子尺度上调节金属TMD催化剂的结构和功能的重要性，为催化剂的大规模应用提供了新思路。
Nat. Commun., 2019
DOI: 10.1038/s41467-019-12997-7
9、Sci. Adv.：Pt单原子助力吲唑类药物快速构建
新加坡国立大学化学系罗健平（Loh Kian Ping）教授和许民瑜（Koh Ming Joo）教授团队合作设计合成了一种多孔CeO2纳米棒负载的Pt单原子催化剂（Pt1/CeO2），以氨硼烷为绿色氢源，实现了α-芳基重氮酸酯的选择性还原，制备了一系列(E)-α-芳基腙化合物及吲唑类药物。
该方法的实用性还体现在以简明的合成步骤和较高的总收率快速构建了FDA批准的抗癌药物及其15N标记类似物，为吲唑类药物的合成提供了新的思路。
Sci. Adv., 2019
DOI: 10.1126/sciadv.aay1537
10、Nat. Catal.：Fe-N-C单原子催化剂助力高性能质子交换膜燃料电池
为了实现美国能源部为质子交换膜燃料电池无铂催化剂设定的2018目标，催化剂低活性位点密度的问题必须要克服。在此，华中科技大学的徐铭和北京航空航天大学的水江澜团队设计并制备了一类凹面Fe-N-C单原子催化剂，该类催化剂有着高的比表面积和介孔率，因此可以满足美国能源部设定的2018无铂催化剂催化活性目标：在1.0 bar的H2-O2状况和0.88 ViR-free的条件下，电流密度达到了0.047 A cm-2（图2）。这个优异的性能源于催化剂有着高的活性位点密度，这是通过暴露不易接近的Fe-N4基团（即是增加利用率）并提高催化剂层质量传输而实现的。除此之外，作者还建立了材料的“构效关系”，从而为设计高效实用的“无铂催化剂”提供了借鉴。
Nat. Catal., 2019
DOI: 10.1038/s41929-019-0237-3
11、Joule综述：能源转化中的单原子催化
近日，新加坡国立大学研究团队系统地总结了单原子催化剂在能源催化转化领域的最近研究进展，重点评述了单原子催化剂在碳氢化合物、含氧化合物、氢能源、合成氨工业、精细化工品合成以及电池等领域的应用，讨论了单原子催化剂的结构特征与催化性能的构效关系；同时比较了单原子催化剂与传统纳米催化在具体催化反应（如选择性加氢、水汽转化、丙烷脱氢等）中的优劣。最后结合目前的研究现状，对单原子催化剂应用于能源领域所面临的机遇和挑战进行了展望。作者认为，未来该领域的发展可以从以下几方面入手：1）为了使单原子催化剂能广泛应用于工业生产中，开发简单、易于规模化的合成方法，制备高负载量、高稳定性的非贵金属单原子催化剂显得尤为迫切。2）目前常用的单原子催化剂表征手段很难在真实反应条件研究活性位点精确的电子结构和配位环境，同时所获得的信息通常是统计平均信息，无法给出单一活性位点的特征信息。3）拓展单原子催化剂的应用范围到其他重要的能源相关催化反应中。虽然目前单原子催化剂应用于能源催化转化已大量报道，在需要苛刻操作条件才能发生的反应，如费托合成、重油裂解等反应中，单原子催化剂还未曾涉及。4）理论模拟计算和人工智能用于预测、指导单原子催化剂的合成。目前的理论计算通常在理想条件下模拟催化反应过程，研究真实催化反应条件下单原子催化剂的构效关系对于理解反应机理及催化剂的设计具有重要意义；同时借助高通量筛选、机器学习和人工智能，实现为特定催化反应量身定做高活性、高稳定性的单原子催化剂。5）以单原子催化剂为平台合成具有特定结构的双原子、多原子催化剂。单原子催化剂在催化剂反应中并不总是表现出优异的活性和选择性，特别是需要多个活性位点才能发生的反应，如电催化氧化甲醇反应。以单原子催化剂为平台构筑多原子催化剂，将单原子催化剂（single-atom catalysts）的概念拓展到单团簇催化剂（single-cluster catalysts）对于实现能源的高效催化转化具有非常重要的意义。
Joule, 2019
DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.015
12、Nat. Commun.：甲烷干整抗积碳镍单原子催化剂
大连化物所催化与新材料研究室乔波涛研究员、张涛院士团队 在单原子催化研究方面取得新进展，发现在甲烷干整反应中羟基磷灰石负载镍（Ni）原子催化剂不仅具有高活性，而且具有本征抗积炭性能。研究揭示Ni单原子活性位上CH4发生不完全解离，避免C物种生成，从源头上避免了积碳生成。
本研究发现羟基磷灰石（HAP）负载的单原子与纳米催化剂均在反应过程中很快失活，但其失活机制完全不同。纳米催化剂的失活主要源于催化剂积碳，而单原子催化剂上没有积碳生成，其失活源于单原子的烧结。因此在单原子催化剂中加入氧化铈稳定单原子后，催化剂稳定性得到大幅度提升。研究结合理论计算表明，单原子催化剂上CH4脱氢至CH3物种后可直接与CO2解离的O结合生成CH3O物种，再逐步脱氢至CO。整个过程避免了碳物种的生成，从而具有本征抗积炭性能。
Nat. Commun., 2019
DOI: 10.1038/s41467-019-12843-w
13、Nat. Commun.：Ru单原子动态氧吸附用于高效酸性析氧
中国科学技术大学姚涛教授课题组设计了一种氮化碳衍生N-C载体上的单原子Ru（称为Ru-N-C）催化剂，其在酸性介质中可以非常高效的析氧。在原子水平上，作者明确确定了类卟啉Ru1-N4结构构型，其中单核Ru与四个N原子配位。通过同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）光谱和傅里叶变换红外（SR-FTIR）光谱，揭示了在工作电位下O-Ru1-N4在Ru1-N4位点上的氧预吸附。此外，理论计算证实，这种O-Ru1-N4位点具有氧化中间体的最佳结合能，从而提高了OER活性。所获得的Ru-N-C单原子催化剂在酸性电解质中显示出优异的性能，在267 mV的低电势下可以连续运行30 h，达到10 mA cm-2的电流密度。此外，Ru-N-C具有出色的内在活性，可达到3348 O2 h-1的转换频率（TOF）。本工作的发现可以为面向未来PEMWE应用的高性能酸性OER电催化剂提供设计策略。
Nat. Commun. 2019
DOI:10.1038/s41467-019-12886-z
14、Nat. Commun.：单原子掺杂促进OER
中科大刘生忠教授课题组采用水热方法制备了单原子 w 掺杂的氢氧化镍纳米片。该样品表现出了较低的 OER 过电位以及稳定性。同时，其在较高电流密度条件下同样表现出了低的过电位。我们利用紫外可见吸收、同步辐射以及球差电镜共同验证了 W 元素是以单原子掺杂的形式存在于氢氧化镍晶格。利用理论计算佐证 W 元素掺杂可以起到水氧化中间体形成的反应位点，且大大降低反应的总过电位，吻合了实验结果。该工作对于单原子掺杂，层状化合物的解离以及 OER 反应具有一定的理论借鉴。
Nat. Commun., 2019
DOI：10.1038/s41467-019-09845-z
15、Nat. Mater.:单原子Cu/TiO2光催化剂
IBS的Taeghwan Hyeon，首尔大学的Ki Tae Nam以及KAIST的Hyungjun Kim等人合作，设计合成了一种均匀分散的、位点特异性的、单原子Cu/TiO2光催化剂，用于研究动态光催化反应中原子级可逆和协同光活化过程。该研究为单原子光催化剂的原子级设计和合成提供了一个有力的研究平台，实现了助催化剂Cu原子的价态控制， TiO2宏观光电性能的可逆调节，并大幅提高光催化产氢活性，扩展了传统多相催化剂的界限。
Nat. Mater., 2019
DOI: 10.1038/s41563-019-0344-1
16、Nat. Mater.：单原子Pt/TiO2催化剂中局域动态配位环境的影响
加州大学圣巴巴拉分校PhillipChristopher团队以单原子Pt/TiO2催化剂为模型，研究了反应过程中的局域动态配位环境的变化及其催化性能影响。
通过强静电吸附将[Pt(NH3)4]2+配合物沉积到5 nm的锐钛矿TiO2纳米晶表面，负载量0.025 wt%，相当于每个TiO2颗粒上0.5个Pt原子。然后在空气中450℃煅烧以除去多余配体。通过原位原子分辨率显微镜和系列光谱表征，配合第一性原理计算证明，孤立的Pt物种可以适应一定范围的局部配位环境和氧化态，随着环境条件的变化而变化。而局部配位的变化对化学反应具有重要影响，可用于控制催化性能。
Nat. Mat., 2019
DOI: 10.1038/s41563-019-0349-9
17、Nat. Commun.：高温稳定的高载量铂单原子催化剂
大连化物所乔波涛等人前期研究发现Pt与载体之间的共价强相互作用（strong covalent metal-support interaction）使Pt1/FeOx单原子催化剂具有优异的热稳定性。受此启发，把Pt纳米颗粒负载在氧化铁表面，再经过焙烧处理，得到负载量为1wt%的Pt单原子催化剂。实验表征结合理论计算提出，在可还原氧化物载体上，Pt原子被载体稳定的过程与载体表面的缺陷无关。作者进一步有目的地对载体掺杂改性，调节载体与金属的相互作用，最终成功发展了一类制备耐高温的高载量单原子催化剂的新方法。
Nat. Commun., 2019
DOI：10.1038/s41467-018-08136-3
18、Nat. Chem.: 不孤单的单原子再创奇功, CO2电还原效率达92%
清华大学肖海/陈晨等人在单原子催化剂的基础之上，成功创制了Cu(0)-Cu(I)双原子催化剂，该催化剂局域原子尺度的界面(atomic interface)结构，使得CO2电还原基元步骤实现双分子活化过程，生成CO的法拉第效率高达92%，极大地抑制了副反应HER的发生。
Nat. Chem., 2019
DOI：10.1038/s41557-018-0201-x
从上面来看，所列成果还不包含例如AM，JACS，Angew，AEM等的情况下，重磅级论文已有如此之多，可见基础研究取得了空前的发展，但是工业应用还有多远呢？
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