【研究背景】

由于化石燃料的迅速消耗，寻求洁净的清洁能源变得十分重要。因此，发展高效且低价的催化剂用于能源转换装置中的电化学反应尤为关键。相对于传统催化剂，单原子催化剂由于其最大化的原子利用率和在电化学反应中的高反应活性得到了极大的关注。但是，由于金属单原子的高度分散，其表面自由能大幅增加，导致金属单原子极易团聚。这不仅使金属原子的利用率降低，同时也不利于其在实际催化反应的应用。在这篇综述中，加拿大西安大略大学孙学良教授深入总结了提高单原子催化剂稳定性的策略方法和单原子催化剂在各种电化学反应中的应用，并对稳定单原子催化剂进一步的可能发展方向也进行了展望

【成果简介】

本文首先简要总结了单原子催化剂的三大主要表征手段，包括原子级分辨球差电子显微镜，原位一氧化碳红外光谱，X光吸收光谱，并简要分析了三者的不同应用范围。之后深入的总结了包括空间位阻效应 （降低单原子在载体表面的移动性），单原子临近位点修饰（与单原子形成较强的化学键），强金属载体间相互作用和电子金属载体强相互作用（利用特定载体与单原子间有强于颗粒的相互作用）等方法提高单原子催化剂的稳定性。之后，详细总结了单原子催化剂在电化学反应中的应用，包括氧还原、氢析出、甲酸氧化、氧析出、二氧化碳还原和氮气还原等反应，并比较了贵金属和非贵金属单原子催化剂在各反应中的区别。最后，对单原子催化剂提出了更高的要求：提高单原子催化剂的金属负载量，并且能够进行规模化量产，而不是停留在实验室阶段，才能有助于单原子催化剂的进一步实际应用和发展。

【研究建议】

1. 在单原子的基础上，加大对双原子催化剂的研究。另一种单原子的引入，对单原子催化剂的电子特性和结构特性都会带来变化。这些变化可能有利于提高单原子催化剂的稳定性，并且也可能对一些催化反应显示出超越单原子催化剂的性能。

2. 单原子催化剂由于其位点单一，对于深入理解催化反应中的机理提供了便利。但是目前绝大多数单原子催化剂在真实反应体系中的状态仍然未能被完全理解。因此结合原位表征技术手段，比如原位同步辐射，对单原子催化剂的真实催化状态进行研究非常关键。这不仅有利于对单原子催化的反应机理理解，也为设计高效的催化剂提供了现实依据。