★  系统总结了制备高载量单原子催化剂的主要合成方法，如热解法、湿化学法、电化学法、原子层沉积（ALD）法等。

★  探讨了高载量单原子催化剂在氧还原反应（ORR）、水电解、光催化制氢、CO氧化和其他催化反应等的重要应用。

★  总结了高载量单原子催化剂在工业催化应用中面临的挑战和未来前景。

热解法被广泛用于单原子催化剂的合成，通过在惰性气氛下对前驱体进行加热，形成了具有金属原子固定位点的N-C催化剂。然而，在热解过程中，金属原子极易聚集形成纳米颗粒，因此常常需要酸性处理有选择性地溶解金属纳米颗粒以留下单原子催化剂。如何有效设计前驱体以实现金属原子的物理或化学约束，并避免繁琐的后序处理工序，是制备高载量单原子的一个重要挑战。

另外，在制备高载量单原子的传统方法中，湿化学方法是不可或缺的，该方法操作简单且可以进行大规模生产。湿法方法包括共沉淀法、浸渍法、离子交换法等。通常包括以下步骤：

i） 金属前体通过浸渍、吸附、离子交换、共沉淀或其他方法附着在载体表面上；

ii） 将改性后的载体干燥或热处理（可省略）；

iii） 还原或活化。

与热解法相比，湿化学方法所使用的反应条件更加温和且更易控制。然而，在制备过程中许多参数会影响所得单原子催化剂的性能。其中，需要严格控制的参数包括前体的添加速度、搅拌速度、反应温度、反应时间、还原/活化条件等。此外，一些金属原子在载体上可能会聚集起来，难以转化为单个原子。该方法通常较难制备高负载的单原子催化剂。

作为一种新兴的单原子催化剂的合成技术，原子层沉积是一种基于气相化学前体与固体基底表面反应的连续自限制分子级循环过程。它可用于在多孔材料中制备均匀的薄膜、定向分散的单原子、亚纳米团簇和纳米颗粒。与化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和电化学沉积等其他沉积技术相比，原子层沉积具有显著的优势如下：i）沉积金属的数量可以精确控制；ii）金属原子均匀分散；iii）具有表面化学选择性；iv）可进行规模化合成并应用于工业中。

除此之外，还有许多可用于制备高载量单原子催化剂的其他有效方法，包括电化学法、离子交换、点击化学、质量选择软着陆方法等等。

ORR反应是包括燃料电池和金属-空气电池在内的许多下一代电化学装置的关键反应。在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中，阴极“氧还原”电催化剂的设计比阳极“氢氧化”电催化剂更具挑战性。因此，设计和开发高性能的阴极氧还原反应电催化剂至关重要。与传统催化剂相比，高载量单原子催化剂可以提高ORR的催化活性和选择性。单原子催化剂中金属原子独特的原子分散特性还可以提高氧还原效率，从而提高燃料电池的性能和能量转换率。

氢能作为一种极具前途的能源，有望于取代污染严重的化石燃料能源。利用可再生能源产生的电力进行水电解，可以说是大规模生产氢燃料最清洁的方式。阴极析氢反应（HER）和阳极析氧反应（OER）的反应速率都影响电解水的整体反应效率。目前，水电解的主要挑战是降低HER和OER的过电位。研究人员正在探索各种类型的HER和OER催化剂，以降低这些反应的过电位。铂和贵金属氧化物(RuO₂和IrO₂)是目前HER和OER催化剂的基准。现如今，人们正在寻求单原子催化剂作为这些贵金属纳米颗粒催化剂的低成本替代品，用于HER和OER。而高载量单原子催化剂在提高水电解反应的催化效率和稳定性方面都发挥了重要作用，可以提供优异的活性和持久的催化位点。

单原子催化剂为在分子水平上研究CO氧化反应机理提供了理想的平台，同时也提供了大大加速CO氧化反应的能力。目前，单原子催化剂中CO氧化的机理尚不清楚，室温下催化消除一氧化碳仍是多相催化研究领域的一大挑战。基于此，高载量单原子催化剂在CO氧化中表现出比传统催化剂更高的催化活性和选择性。其中金属原子的原子水平分散暴露了更多的有效活性位点，进而增强了CO氧化性能和毒耐受性。

除上述应用外，高载量单原子催化剂还应用于许多其他催化反应，如甲烷氧化转化、有机合成、CO₂还原等应用。高载量单原子催化剂的优点，如优异的原子分散性、催化活性和选择性，使其在多种催化反应应用中更具价值。