進入二十世紀以來，全球對能源需求量的快速增長極大地促進了多種能源體系的開發、利用以及轉化。全球約四分之一的能源消耗過程直接或間接與催化反應相關。與傳統納米催化劑相比，單原子催化劑中的活性組分幾乎完全暴露於載體表面，具有接近100%的原子利用率；同時活性中心低配位不飽和狀態、獨特的電子結構，和金屬載體間強的相互作用能夠極大地提高活性位點的本徵活性。
圖1. 單原子催化劑在能源催化轉化領域的應用
近日，新加坡國立大學研究團隊系統地總結了單原子催化劑在能源催化轉化領域的最近研究進展，重點評述了單原子催化劑在碳氫化合物、含氧化合物、氫能源、合成氨工業、精細化工品合成以及電池等領域的應用，討論了單原子催化劑的結構特徵與催化性能的構效關係；同時比較了單原子催化劑與傳統納米催化在具體催化反應（如選擇性加氫、水汽轉化、丙烷脫氫等）中的優劣。最後結合目前的研究現狀，對單原子催化劑應用於能源領域所面臨的機遇和挑戰進行了展望。作者認為，未來該領域的發展可以從以下幾方面入手：1）為了使單原子催化劑能廣泛應用於工業生產中，開發簡單、易於規模化的合成方法，製備高負載量、高穩定性的非貴金屬單原子催化劑顯得尤為迫切。2）目前常用的單原子催化劑表徵手段很難在真實反應條件研究活性位點精確的電子結構和配位環境，同時所獲得的信息通常是統計平均信息，無法給出單一活性位點的特徵信息。3）拓展單原子催化劑的應用範圍到其他重要的能源相關催化反應中。雖然目前單原子催化劑應用於能源催化轉化已大量報道，在需要苛刻操作條件才能發生的反應，如費託合成、重油裂解等反應中，單原子催化劑還未曾涉及。4）理論模擬計算和人工智能用於預測、指導單原子催化劑的合成。目前的理論計算通常在理想條件下模擬催化反應過程，研究真實催化反應條件下單原子催化劑的構效關係對於理解反應機理及催化劑的設計具有重要意義；同時藉助高通量篩選、機器學習和人工智能，實現為特定催化反應量身定做高活性、高穩定性的單原子催化劑。5）以單原子催化劑為平臺合成具有特定結構的雙原子、多原子催化劑。單原子催化劑在催化劑反應中並不總是表現出優異的活性和選擇性，特別是需要多個活性位點才能發生的反應，如電催化氧化甲醇反應。以單原子催化劑為平臺構築多原子催化劑，將單原子催化劑（single-atom catalysts）的概念拓展到單團簇催化劑（single-cluster catalysts）對於實現能源的高效催化轉化具有非常重要的意義。
