上海大学李文献教授/张久俊院士最新EER综述｜用于能源存储与转换的单原子催化剂稳定策略

关于这篇文章

Advanced Strategies for Stabilizing Single-Atom Catalysts for Energy Storage and Conversion

Wenxian Li^*1,2（李文献）, Zehao Guo, Jack Yang, Ying Li, Xueliang Sun, Haiyong He, Sean Li,Jiujun Zhang^*1（张久俊）

¹Shanghai University; ²The University of New South Wales (Australia)

Single-atom catalyst; Stabilization strategy; Coordination environment; Polymer; Encapsulation agent; Protection agent

Wenxian Li, Zehao Guo, Jack Yang, Ying Li, Xueliang Sun, Haiyong He, Sean Li, Jiujun Zhang. Advanced Strategies for Stabilizing Single-Atom Catalysts for Energy Storage and Conversion. Electrochem. Energy Rev. 2022, 5(3), 9. https://doi.org/10.1007/s41918-022-00169-z 

https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s41918-022-00169-z.pdf 

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图文摘要

目录简介

综述亮点

1. 综述了单原子催化剂的稳定策略。

2. 重点研究了聚合物在单原子催化剂制备及稳定方面的应用。

3. 总结了单原子催化剂面临的技术挑战，并对未来的研究方向进行了展望。

图文导读

化石燃料的减少及其消耗带来的环境污染问题被认为是阻碍人类社会可持续发展的巨大挑战，为了缓解这些问题，人们探索了许多策略，例如利用清洁和可持续能源包括太阳能、海浪、地热、风能和水力来取代化石燃料，然后发展相应的电化学能源技术如电池、超级电容器和盐水电解来存储这些可持续能源产生的间歇性电能。电催化剂的催化活性和稳定性在很大程度上取决于其形貌、结构、组成、电导率、粒径和比表面积，在这些性能中，颗粒大小是影响催化活性和稳定性的最重要因素之一。粒度减小可诱导较高的表面自由能和高比表面积，从而降低催化剂在反应中的反应势垒，提高催化剂的利用率。在单原子催化剂的合成方面，许多有机材料，尤其是聚合物被用作合成模板、催化剂载体、保护剂和包封剂，如图1b所示。许多聚合物由于其良好的孔隙度、高比表面积、灵活的可支配性和许多独特的官能团，从而可以锚定更多的活性位点。例如，Chen等根据Kirkendall效应，利用金属–有机骨架（metal–organic framework，简称MOF）材料构建了功能化中空结构。通过与磷、硫的远距离相互作用以及与氮的近距离协同效应可以实现活性中心的电子调制。Wang等采用富含悬空未配位–NH₂基团的Zr₆O₄(OH)₄(BDC)₆（UiO-66）作为载体（其中BDC为1,4-苯二甲酸酯），利用丰富的N位点稳定了Ru的单个位点。此外，聚合物可以作为表面活性剂来调节目标催化剂的结晶。例如，He等人开发了一种表面活性剂辅助的金属有机骨架方法，制备了一种具有核–壳结构的原子分散共掺杂碳。约束效应抑制了热激活过程中Co原子位的团聚，从而减缓了ZIF-8（沸石咪唑骨架）内部微孔结构的坍塌。这种独特的约束效应归因于共掺杂的ZIF-8纳米晶体与选定的表面活性剂的内聚相互作用。表面活性剂中的亲水基团与Co-ZIF-8多面体表面的Zn²⁺和Co²⁺位点配合。借助配位效应，可以减缓Co-ZIF-8晶体的生长速度，并且可以控制Co-ZIF-8晶体的尺寸和形貌。

本文论述了金属单原子催化剂的研究进展，并重点关注单原子催化剂的发展；主要讨论了合成过程、表征、反应机理、催化剂表面金属原子结构的精确控制、结构–性能关系、应用和挑战。本文从合成方法的角度综述了单原子催化剂的稳定策略，并详细分析了它们的优缺点；重点讨论了聚合物在制备或催化反应过程中作为合成模板、金属单原子载体、包封剂和保护剂等方面的作用，以及它们在单原子催化剂制备和稳定方面的应用；重点介绍了含氮基团聚合物在制备过程中捕获单个原子和提高碳基载体导电性方面的特殊功能；最后，指出了单原子催化剂领域的挑战和潜在应用方向，并为单原子催化剂的发展提供了未来的研究方向。

图1 a 单原子催化剂稳定技术综述；b 含氮基团的聚合物对单原子催化剂稳定的作用

2.1 单原子催化剂的稳定策略

目前，单原子催化剂面临着大规模生产和反应稳定性差的挑战。在制备高质量的单原子催化剂时，适当的合成策略对于稳定孤立的单金属原子至关重要。在合成过程中，载体前体的缺陷或空位可以锚定、还原和限制金属原子。对于金属原子负载的增加，从理论上确定了避免单原子团聚的两个因素:一是增加载流子表面积，二是提高载流子表面金属原子的结合强度。基于这些原理，发展了多种制备单原子催化剂的方法，如质量分离软着陆法、“一锅”热解法、共沉淀法、浸渍法、分步还原法、原子层沉积法和有机金属络合法。

2.1.1 质量分离软着陆法

在质量分离软着陆法中，金属原子通过高频激光蒸发源气化，然后用质谱仪控制气相沉积，在载体表面获得不同尺寸和负载量的金属颗粒。通过热源将纯金属加热至其气化温度以上，气化的金属原子通过惰性气体运输和聚集。质量滤波器可以通过质量来控制气化的金属原子团簇中原子的数量，只有被选择的原子才能落在载流子上。该方法既可以制备单原子催化剂，也可以制备不同元素的团簇催化剂。通过质量选择软着陆法在合成金属簇时精确控制原子数，甚至可以控制在单原子水平。该方法涉及物理沉积，可以通过使用多种平面载体来扩展单原子催化剂的合成。但该方法需要超高的真空沉积条件，产率极低。此外，单原子是通过物理方法吸附在载流子上，由于没有强化学键，单原子很容易聚集成簇。沉积方法限制了单原子的负载量。而且该方法可能不适用于高比表面积或介孔载体材料。

2.1.2 原子层沉积法

原子层沉积（atomic layer deposition，简称ALD）是将金属单原子以原子级精度负载在载体表面的技术。ALD具有独特的表面自限特性，允许催化材料共形沉积在载体的高表面积上，因此可以获得原子级可控的催化剂，并且可以精确控制原子水平上沉积材料的尺寸或厚度，从而使金属原子均匀沉积在具有高表面积的催化剂载体上。通过调整ALD循环的次数、顺序和类型，可以实现这种精确的自下而上的催化体系结构。因此，ALD由于其沉积精确、可控、均匀性可靠等优点被广泛应用于纳米材料合成领域。

Yan等人利用ALD制备了Pd/石墨烯单原子催化剂，如图2a所示。在ALD合成过程中，Pd单原子被孤立的酚基捕获，这是由于孤立的酚基被还原为特定的氧官能团，可以锚定Pd原子。对于1,3-丁二烯的选择性加氢反应，Pd/石墨烯单原子催化剂具有极高的催化性能，如图2c所示。在50 ℃时，1,3-丁二烯几乎完全转化为1-丁烯，反应条件温和。当转化率为95%时，丁烯的选择性为100%，远高于1-丁烯的70%。图2d显示，在Pd/石墨烯单原子催化剂的辅助下，丁烯选择性得到了提高。Jiang等人利用ALD制备了以SiO₂为载体的Ni/SiO₂单原子催化剂。图2e为高分辨率透射电镜（high-resolution transmission electron microscopy，简称HR-TEM）图像，该图像显示了通过ALD沉积法在SiO₂衬底上制备的Ni纳米颗粒（20–30 nm）的形貌。从图2e的插图中可以看出，催化剂中Ni纳米颗粒的尺寸在2个循环后为2.4 nm，在15个循环后为2.6 nm。将制备的Ni/SiO₂催化剂用于4-氟硝基苯的电化学还原。在60 ℃条件下，催化剂对对氟苯胺的选择性为98.1%，产率为9.2%。产率也随温度的升高而增加，直至120 ℃。Sun等人通过ALD将Pt单原子与负载在石墨烯载体上的氧或氮配体配位，制备了稳定的单原子催化剂，如图2f所示。在他们的实验中，当循环次数从50增加到150时，Pt在石墨烯上的负载从1.52 wt.%（wt.%表示质量百分比）增加到10.5 wt.%。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（High angle annular dark field scanning transmission electron microscopy，简称HAADF-STEM）图像显示了三个不同次数Pt ALD循环后载体上Pt的状态，如图2h所示。主要分布在暗背景上的亮点是Pt/石墨烯催化剂（用50次ALD循环制备）的Pt单原子。在100次循环后，可以观察到较大的团簇和单个原子，这表明纳米颗粒形成。经过150次循环后，颗粒尺寸为2–4 nm。采用循环伏安法（Cyclic voltammetry，简称CV）表征了Pt/石墨烯催化剂电催化甲醇氧化的催化活性和起始电位。正向扫描中，甲醇氧化的峰电位随着ALD循环次数的增加而增加，如图2g所示。50次、100次和150次循环的峰值电位分别为0.79 V、0.82 V和0.85 V〔相对于可逆氢电极（versus reversible hydrogen electrode，简称vs. RHE）〕。与0.96 V（vs. RHE）的Pt/C商用催化剂相比，Pt/石墨烯催化剂可以降低甲醇氧化的过电位。随着粒径的增大，峰值位置移至0.96 V。与Pt/C催化剂相比，单原子催化剂在甲醇氧化中具有更强的耐CO性和更高的活性等优点。然而，Pt原子的负载量仍然很低。随着循环过程的进行，Pt原子的聚集趋势增加，因此Pt的负载很难继续增加。

2.1.3 “一锅”热解法

在高温处理过程中，断裂的金属–金属键或金属–O–金属键可以通过强的金属–载体相互作用使孤立的金属物种脱离，形成稳定的单原子催化剂。Zhao等成功合成了几种Ni单原子催化剂，其中Ni负载量高达20.3 wt.%，负载在氮掺杂碳纳米管（N-doped carbon nanotube，简称N-CNT）上，称为NiSA-N-CNT。并且单个Ni原子不是限制在碳层之间，而是与层状碳结合。图3a为一步热解法制备NiSA-N-CNT催化剂的过程示意图。Ni和N的均匀分布表明该催化剂为典型的管状结构。在该催化剂中没有观察到纳米颗粒。在0.55 V时，NiSA-N-CNT催化剂在二氧化碳还原反应（carbon dioxide reduction reaction，简称CO₂RR）中的转换频率（turnover frequency，简称TOF）为11.7 s⁻¹，高于Ni纳米颗粒（Ni-N-CNT）。较高的TOF可能是由于微调的配位环境。NiSA-N-CNT催化剂对析氧反应（oxygen evolution reaction，简称OER）和氧还原反应（oxygen reduction reaction，简称ORR）的起始电位分别为25和30 mV，均低于Ni-N-CNT在碱性溶液中的起始电位（图3d）。NiSA-N-CNT的OER和ORR活性低于Ni-N-CNT，这可能是由于Ni单原子和Ni纳米颗粒的化学环境和电子环境显著不同所致。Cheng等人通过“一锅”热解法合成了锚定在氮掺杂石墨烯上的Fe单原子（FeSA-G）催化剂，其中Fe原子载量为7.7 wt.%。HR-TEM图像显示石墨烯载体上只有Fe单原子。扫描透射电镜-能谱（scanning transmission electron microscopy with energy dispersive spectroscopy，简称STEM-EDS）分析显示，N和Fe原子均匀分散在石墨烯片层中。像差校正扫描透射电镜（aberration corrected scanning transmission electron microscopy，简称AC-STEM）进一步证实了即使Fe原子有很高的负载，Fe原子也是原子弥散。由图3f–i可知，在酸性电解质中，ORR的FeSA-G半波电位和起始电位分别为0.804和0.950 V。该催化剂性能稳定，具有较高的磷酸盐负离子耐受性，与Pt/C催化剂具有相同的催化性能。在230 ℃下进行稳定性测试，结果表明FeSA-G阴极比Pt/C阴极具有更稳定的性能。

图3 a 具有管状结构的NiSA-N-CNT催化剂的制备过程；b NiSA-N-CNT催化剂的显微图像；c Ni-N-CNT和NiSA-N-CNT催化剂在不同电位下对CO₂RR的法拉第效率（Faradaic efficiency，简称FE）和生成CO的电流密度（j_CO）；d Ni-N-CNTs和NSA-N-CNT-T对OER和ORR的线性扫描伏安曲线；e 用于氧还原反应性能的FeSA-G显微镜图像；f 酸性溶液中FeSA-G和Pt/C的线性扫描伏安曲线；g ORR反应的H₂O₂的电子转移数和产率；h 用于ORR的FeSA-G和Pt/C的Tafel斜率；i FeSA-G和Pt/C在酸性溶液中的线性扫描伏安曲线（与这些催化剂循环5 000次后的伏安曲线进行比较）。（Copyright © 2018, American Chemical Society；Copyright © 2019, WILEY–VCH）

2.1.4 共沉淀法

共沉淀法由于其相对简单的步骤和较高的产物催化性能，是广泛应用于制备单原子催化剂的最常用方法之一，可用于制备多种活性元素同时均匀分散的负载型金属催化剂。例如，沉淀剂中溶解的两种或两种以上的金属阳离子可以通过共沉淀过程产生沉淀反应，实现不同元素的分子级分布。共沉淀法制备的催化剂的性能取决于基础溶液的pH值、老化时间、温度、有效混合、组份溶液的加入顺序和速度以及基材上缺陷的数量及其分布等多种因素。共沉淀法也存在一些固有缺陷，例如，必须使用目标金属的高度稀释溶液，以避免原子团聚。此外，一些金属原子在共沉淀过程中容易锚定在载体的界面区域，从而导致共沉淀法制备的单原子催化剂具有较高表观金属负载量，但是这些沉积于载体界面处的金属原子不是以单原子形式存在，并且缺乏与反应介质的有效接触，基本不参与催化反应。

2.1.5 浸渍法

对于多相催化剂，经典的制备方法之一是浸渍法。在典型的合成过程中，载体浸渍在含有活性成分（金属盐）的溶液中。载体与溶液接触后，活性组分逐渐吸附在载体表面或限制于孔结构。然后，将溶液过滤或干燥以去除多余的溶液。所得固体经干燥、煅烧和活化得到目标催化剂。金属分散取决于锚定位点的特征，锚定位点是前驱体–载体相互作用的结果。Hai等通过浸渍法合成了Co、Ni、Zn、Pd和Pt的高金属含量单原子催化剂，其负载量可达20 wt .%以上。他们测试了15种不同金属与三种不同载体的组合，包括氮掺杂碳、聚合氮化碳和金属氧化物。所有15种金属在这些载体上都能以单原子水平高负荷存在。

2.1.6 有机–金属络合法

基于单原子催化剂的精细结构，采用有机金属络合法制备了单原子催化剂。具有一定结构的分子配合物的金属可以与载体表面的官能团配位。该方法可以通过精确控制金属原子的位置和数量来锚定金属原子。证实了功能化MOFs稳定、支撑和分离的Pd单原子。如Szilágyi等以金属有机配合物Pd(CH₃COO)₂为前驱体，以MOF NH₂-MIL-101 (Cr)为载体，使–NH₂基团与Pd原子配位固定金属原子，得到稳定的Pd单原子催化剂（0.85 wt.%）。MOF基体中的–NH₂基团通过提供配位与Pd原子有很强的相互作用，可以形成配位键以稳定Pd单原子。

2.2 聚合物在单原子催化剂制备中的应用

聚合物在单原子催化剂制备中的应用受到两个基本结构特性的启发，即结构和官能团的多样性。四种基本结构可以从线性、支链、交联和网络型等多种聚合物结构中解卷积。聚合物的应用可以为单原子载体构建多种空间结构。Oisaki等人制备了有机金属配合物，通过共价键固定在MOFs的孔隙中。

聚合物的特定结构是高比面积催化剂的天然载体模板。具有丰富锚点的高分子量聚合物适合在制备过程和催化环境下形成强的金属–基体相互作用，从而抑制金属–金属相互作用。例如，Liu和Chen等研究了单层TM-Pcs（过渡金属Sc到Zn的TM和酞菁的Pc）是否可以根据第一性原理计算作为Pt单原子催化剂的潜在基底。Pt原子能与Ti-Pc紧密结合形成高扩散势垒，而Ti与Pt之间的强相互作用能阻止Pt团簇的形成。

聚合物官能团丰富，含有氧、氮、硫、磷、硼、卤素、碳氢化合物、金属，甚至自由基，其中一些具有成为金属原子强捕获中心的潜力。硫官能团和氮官能团已被证明是有效的金属原子捕获中心，这些丰富的杂原子通过强的配位相互作用，可以通过孤对电子对与单个金属配位。Wu等利用配位聚合物策略制备了单原子Fe/N共掺杂多孔碳复合材料。

特别是在单原子催化剂的合成中，含氮基团的聚合物被广泛用作载体、合成模板、包封剂和保护剂，因为含氮基团的配位和空间约束功能在制备和催化剂性能中起着至关重要的作用。例如，He等人使用前驱体稀释策略制备了负载在氮掺杂多孔碳上的单原子催化剂。金属前驱体是通过N原子螯合金属阳离子的四苯基卟啉（TPP）。通过X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）、延伸X射线吸收精细结构（extended X-ray absorption fine structure，简称EXAFS）和光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS）表征，发现N原子支撑了Pt原子。

2.2.1 合成模板

许多具有特定空间结构的聚合物可作为合成单原子催化剂的模板，如层状材料、共价有机骨架（covalent organic frameworks，简称COFs）、MOFs和沸石。Yang等采用自牺牲模板法合成了以氮为载体掺杂的空心碳微管，制备了Fe单原子催化剂，命名为C-PANI-MIL (Materiaux de l’institute Lavosier)-SP（二次热解）。图4a说明了使用Fe-MOFs纳米晶体作为自牺牲模板的制备过程。吡咯和石墨中丰富的N原子可以与金属原子配位，避免聚集。此外，碳基体中的共轭π轨道吸引N原子上的电子，使O₂分子的π*轨道上产生反馈电子，使O–O键断裂，进一步提高ORR性能。图4e显示C-PANI-MIL-2具有优越的电流密度。在电解液中加入10 vol.%（vol.%表示体积百分比）甲醇，采用计时安培法测试抗甲醇性能。如图4f所示，C-PANI-MIL-2在碱性溶液中比商业Pt/C的甲醇耐受性更强。Xiao等人以ZIF-8为自模板合成了Fe-N-C催化剂。在多孔氮掺杂碳骨架中，均匀分散的Fe原子与4个N原子结合。在酸性和碱性条件下，主要活性位点分别为吡啶氮和石墨氮。而未掺杂Fe的催化剂（N-C催化剂）在酸性溶液中表现出较低的ORR活性，如图4l所示。从N-C和Fe-N-C催化剂活性的不同来看，Fe的加入促进了活性中心的形成。图4k所示，HAADF-STEM可以检测到的单个Fe原子的存在。

图4 a C-PANI-MIL的合成过程；b C-PANI-MIL的显微图像，伴随C、Fe、N的元素映射，C-PANI-MIL在 c 碱性溶液或 d 酸性溶液中不同ANI浸泡时间的RDE极化曲线；e C-PANI-MIL-2和Pt/C在碱性溶液中的稳定性试验，循环10 000次；f 在1 600 r min⁻¹的碱性溶液中计时安培（0.6 V）响应；g C-PANI-MIL-2催化剂在碱性溶液中不同转速下的电流密度；h 不同电位下的K–L曲线；i 碱性溶液和 j 酸性溶液中ORR过程的%H₂O₂和转移电子数（n）；k Fe-N-C催化剂的HAADF-STEM图像；l 电催化剂的电催化性能。在酸性电解质中记录了Ar中N-C、Fe-N-C和Pt/C催化ORR过程的稳态极化曲线。Zn/Fe在饱和氧酸性电解质中的不同组成。碱性电解质中Zn/Fe和Pt/C的不同组成。Fe-N-C催化剂（Zn/Fe = 0.95/0.05）在酸性电解质中进行不同CV循环。（Copyright © 2018, Wiley–VCH; Copyright © 2019, Elsevier Ltd.）

2.2.2 载体

高分子材料由于其独特的结构特征和高比表面积的优势，作为单原子载体也具有广阔的应用前景。聚合物的有序结构及其丰富的空穴表面使其能够为金属活性成分提供许多高度均匀的附着位点。负载活性组分后的聚合物结构可以保持单原子金属的初始状态，甚至在煅烧或氧化后仍然保持原有的骨架，这使得聚合物成为良好的催化剂载体，可以实现各种微观结构的高负载。

图5 a 催化剂示意图；b Co-N₅/HNPCSs催化剂的显微照片；c CO₂RR的LSV曲线；d Co基催化剂的FE_H2和FE_CO；e M-N₅的FE_CO和FE_H2；f Co-N₅/HNPCSs-T的FECO；g Co-N₅/HNPCSs催化剂在不同温度处理后的时安培图；h Co-N₅/HNPCSs催化剂在不同电位下的非原位和原位X射线吸收近边结构（X-ray absorption near edge structure，简称XANES）；i Co催化剂生成的合成工艺；j Co-PPhen催化剂的显微图像；k 乙苯选择性氧化反应模型；Co-PPhen-X氧化乙苯对苯乙酮的选择性及转化率；Co-PPhen-500在不同循环数下的性能。在不同时间引入SCN⁻离子后，Co-PPhen-500催化乙苯转化的收率。SCN⁻离子对催化剂性能的影响示意图。(Copyright © 2018, American Chemical Society；Copyright © 2019, The Royal Society of Chemistry)

2.3 其他应用

2.3.1 封装剂

将活性金属限制在微孔中是防止其在制备和催化反应中迁移、泄漏和聚集的最有效策略之一。微孔聚合物材料作为载体广泛用于制备原子分散的金属基催化剂。在腔体内侧含有N原子的官能团可以将金属前驱体拉入腔体。金属配合物一旦在笼结构中形成，就会被原位捕获在笼中。分子笼作为包封剂，可以控制金属颗粒大小，获得所需的单原子催化剂。Kou等制备了Mo基单原子催化剂（称为Mo SACs/N-C）。N-C载流子结构的N原子可以定向捕获和隔离单个原子、团簇和纳米颗粒。[MoO₄]²⁻被限制在ZIF-8的空腔内，在空间上从前驱体中分离出不同尺寸的Mo金属物种。然后在热解过程中,在氮掺杂碳上锚定形成Mo基催化剂。Mo主要以纳米粒子（11.73 wt.%）、亚纳米团簇（7.57 wt.%）和单个原子（0.76 wt.%和2.51 wt.%）的形式存在。

2.3.2 保护剂

在制备金属单原子催化剂的过程中，聚合物可以作为保护剂保护金属颗粒，避免原子结合。Zhang等用还原剂（l-抗坏血酸）和保护剂〔聚乙烯吡咯烷酮（PVP）〕逐步还原法制备Au/Pd单原子催化剂，称为Au/Pd SACs。在合成过程中，通过醇还原法制备了Pd纳米团簇作为载体。然后将得到的Pd团簇分散到PVP溶液中，充分搅拌，使PVP能够充分保护金属颗粒。将Au原子还原到Pd团簇上，得到Au/Pd单原子催化剂。Au/Pd SACs可以通过有氧葡萄糖氧化来评价其催化活性。对于好氧葡萄糖氧化，Au/Pd SACs的组成变化会改变初始催化活性。结果表明，随着Au含量的增加，Au原子活性降低。

重要结论

包括聚合物在内的载体的应用对单原子催化剂的催化性能、稳定性和负载量产生了全面的影响。单原子催化的研究涉及凝聚态和化学工程，揭示了材料结构对催化反应性能的影响。相较于传统的多相催化剂，如纳米颗粒和纳米团簇，单原子催化剂的利用率最高。单原子催化剂的催化性能取决于配位环境，而不是传统的粒子尺寸、形状和暴露面等概念。单原子催化剂作为催化剂粒径的下限，能够进一步提高催化效率，增加活性成分，有效降低贵金属消耗，以及对催化机理的基本认识，引起了人们的广泛关注。

目前，单原子催化剂的发展主要有两大挑战。（1）提高金属原子负载量。金属负载量越大，催化反应中产生的活性位点越多，对催化活性的影响就越大。杂原子可以作为锚定在载体缺陷处的稳定中心，金属原子可以与杂原子协调以获得高的金属负载，例如氮原子能有效地锚定单个金属原子。多种含氮载体如C₃N₄、吡咯、石墨烯等中的氮原子可以将金属原子固定在载体上。因此，需要进一步研究如何有效、简便的提高单原子负载量。（2）增强稳定性。表面的金属原子应该保持单原子状态，载体与金属原子的相互作用程度决定了表面反应的活性和稳定性，表面金属原子与载流子之间没有较强的相互作用，容易因团聚形成纳米颗粒。此外，还应评估适当反应条件下的稳定性。在氧化还原反应、水热处理、高温高压等反应条件下，催化剂会发生剧烈的变化。因此，如何稳定具有高活性的金属原子值得继续思考。

未来的发展方向应侧重于以下两点。（1）进一步研究单原子催化剂的催化机理。因为目前大多数机理研究都是基于密度泛函理论（density functional theory，简称DFT）计算，DFT模拟通常是基于最简单的条件来实现的，模拟中缺少一些重要的参数，如水的参与、阳离子、pH值和电场。相对于多相催化和均相催化，对单原子催化剂机理的认识存在很大的差距，因此单原子催化剂的催化机理有待进一步研究。（2）向大规模实现单原子催化剂的进一步发展。实际应用需要通过简单、经济的方法大规模制备单原子催化剂，随着单原子催化剂的发展，研究者逐渐深入了解这些催化剂的复杂反应体系和动态结构演化。单原子催化剂应与工业化学催化的实际应用相结合，在制备单原子催化剂时应更多地考虑技术问题，包括设备的容量和反应器的大小。规模化生产、空时产量、稳定性等工业参数是评价反应经济性的重要指标。大规模生产稳定、高负载的单原子催化剂的研究报道较少。因此，迫切需要开发通用、简单、大规模制备单原子催化剂的方法。

主要作者介绍

李文献（第一作者和通讯作者），上海大学材料科学与工程学院教授。2010年获澳大利亚卧龙岗大学博士学位。2012年11月加入西悉尼大学，担任太阳能技术团队讲师。2015年加入上海大学。主要研究方向为电子构型调制诱导的可再生能源利用功能材料性能优化。

郭泽浩，2019年获合肥工业大学本科学位，现为上海大学材料科学与工程学院硕士研究生，师从李文献教授，期间，在中国科学院宁波材料技术与工程研究所从事课题研究，师从何海勇教授，研究方向是开发用于高温锂离子电池的功能性和稳定性隔板。

张久俊（通讯作者），上海大学教授，上海大学理学院和可持续能源研究院院长，加拿大皇家科学院、加拿大国家工程院和加拿大工程研究院三院院士，国际电化学能源科学院（IAOEES）创始人、主席兼总裁，加拿大联邦政府国家研究院前首席科学家。研究方向为电化学能源、转换和存储，发表文章500余篇，H因子为104，2014–2022年连续9年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。