Bright Sparks of Single-Atom and Nano-Islands in Catalysis: Breaking Activity-Stability Trade-Off

Xinyu Liu, Suhua Chen*, Shenglian Luo*, Bo Li*, Jiajie Wang, Gaoxia Zhang, Yuqi Zhu, Jianping Zou

Nano-Micro Letters (2026)18: 149

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01978-9

本文亮点

1. 单原子纳米岛(SANIs)架构实现单原子“可迁移但不团聚”，从根本上克服单原子催化剂(SACs)固有的活性-稳定性权衡矛盾。

2. 系统梳理了SANIs的可控制备策略与多尺度稳定化机制，涵盖一步法与两步法合成路线，以及经由纳米岛相互作用实现的电子结构调控。

3. SANIs在电池、清洁能源生产、化学合成与环境催化等多元催化体系中展现卓越性能，建立了稳健的构效关系。

研究背景

单原子催化剂(SACs)凭借独特的几何与电子结构、最高的原子利用效率与均一的活性位点，已成为多相催化领域最前沿的研究方向之一。然而，SACs在实际应用中长期面临一个悬而未决的根本矛盾——活性与稳定性此消彼长：单原子表面自由能极高，高温、苛刻介质或长期反应条件下极易迁移团聚成纳米颗粒而失活；为抑制团聚又必须增强金属-载体结合，往往牺牲其本征活性。传统的氧化物载体锚定、强金属-载体相互作用(SMSI)、单原子合金(SAA)、限域封装等策略虽各自取得进展，但仍未能同时兼顾高原子利用率、高活性与高稳定性。近年来发展起来的单原子纳米岛(SANIs)巧妙地将SACs超高原子利用率与纳米岛结构的限域效应及结构稳定性相结合，使单原子在纳米岛内“可迁移但不团聚”，为破解这一经典权衡提供了全新范式。

内容简介

针对现有综述尚未建立“模型—合成—高稳定性机理—高活性本质—应用”闭环认知框架的不足，南昌航空大学陈素华、罗胜联团队联合华南理工大学李波团队，系统整合了SANIs的基础概念模型与前沿合成策略，聚焦揭示SANIs克服SACs稳定性瓶颈的内在机理，阐明纳米岛的角色及其协同作用机制以厘清高活性本质，并建立原子限域效应与宏观性能之间的构效关系，最终在电池、清洁能源、化学合成与环境催化等多类反应体系中完成突破性验证。该综述旨在为理解SANIs多维优势推动范式转变开辟新视角，进而催生该前沿领域的突破性进展。

图文导读

I 引言

文章首先以时间轴(图1)回顾了SACs从诞生走向SANIs的发展脉络：1979年高比表面氧化铝负载的Rh单原子雏形、2011年SACs概念正式确立，随后强金属-载体相互作用(2014)、单原子合金(2016)、边缘位点协同(2018)、沸石限域封装(2019)、N/S/F共掺杂(2020)等稳定性策略相继涌现；2022年Pt/CeOx/SiO₂首次提出SANIs概念，2024年IrSA-Mo₂C/C将SANIs应用于氢氧化反应(HOR)，2025年CoSA/Zn.O-ZnO将SANIs拓展至类芬顿反应活化过一硫酸盐(PMS)。在概念层面，SANIs是一类新型原子-纳米复合催化体系，由“单原子(SAs)—纳米岛(nano-islands)—载体(sea)”三级层级结构构成：纳米岛作为分立的纳米级限域单元负载高分散单原子，载体构成广阔的“海洋”基底；其核心是在物理限域与缺陷锚定的协同下，既允许单原子在岛内动态迁移以优化配位与电子结构，又通过纳米岛间的空间隔离阻断跨岛团聚路径。

图1. SACs到SANIs的发展时间轴：从1979年Rh/Al2O3单原子雏形、2011年SACs概念确立，经SMSI、SAA、沸石封装、共掺杂等稳定性策略，到2022年SANIs概念提出及其在HOR、类芬顿反应中的近期应用。

II SANIs的最新研究进展

2.1 SANIs的综合优势与三种结构模型

相较于碳基、MOF基、金属氧化物基载体及单原子合金等传统SACs体系各自的局限(高负载易团聚、苛刻条件易失稳、导电性差、活性位易中毒)，SANIs通过“SAs-纳米岛-载体”层级结构实现了五维突破：(i)开创“可迁移但不团聚”模式，完全抑制团聚同时保持不饱和配位的高活性；(ii)借纳米岛精确调控SAs电子结构，优化多反应中间体吸附能；(iii)设计选择性吸附位点抑制毒素占据与积碳；(iv)创新串联活性中心重构复杂反应路径；(v)灵活采用一步法或两步法同步实现纳米岛尺寸控制与SAs高负载分散。依据单原子在纳米岛-载体空间中的分布方式，文章归纳出三种典型结构模型(图2)：其一，“一岛一原子”(One-Island-One-Atom)——单个金属原子精确锚定于孤立纳米岛，如缺陷富集CeOx纳米岛上的Pt原子，凭借物理隔离与强Pt-O键实现高稳定与高活性；其二，“一岛多原子”(One-Island-Multi-Atom)——单个纳米岛密集排布多个金属单原子，借纳米岛局域效应诱导原子间电子协同，提升活性位点密度与整体活性；其三，“岛-海协同”(Island-Sea-Synergistic)——金属原子分别负载于纳米岛(岛)与载体(海)，两种配位环境形成高效双功能协同，如PtCo纳米岛析氧(OER)活性位与Co SAs析氢(HER)活性位构成的全解水体系，以及ZnO纳米岛限域Co SAs、ZnO基底维持中性微环境的类芬顿体系。

图2. SANIs的三种典型结构模型：一岛一原子、一岛多原子与岛-海协同架构，及其在载体与纳米岛上差异化配位环境形成的协同效应。

2.2 SANIs的合成策略：一步法与两步法

文章系统评述了SANIs的可控制备策略(图3、图4)。一步法遵循“前驱体负载/载体→前驱体转化”路径，工艺简便：浸渍-热解法是主流路线，如Wang等将Pt、Ce、In混合盐浸渍SiO₂后于500摄氏度热解，巧妙利用Ce削弱Pt-In合金化能力，生成0.5Pt0.3In(2.0Ce)/SiO₂超低InCeOx纳米岛与低价孤立Ptᵟ⁺位点；Chen等以碳化钨(WCx)为纳米岛、Ru SACs限域于WCx晶格内，辅以石墨化碳壳加速电荷传输；新兴的电脉冲法(浸渍-超大电流脉冲约1秒制备Pt₁-FeOx/CN)与微波辅助法(Sn²⁺预配位Zr-oxo团簇后沉积Pt于UiO-66空腔)可实现低温、快速、原子级精准合成；一步水热法还制得了ZnO纳米岛封装Co SAs(CoSA/Zn.O-ZnO)。两步法遵循“纳米岛/载体→前驱体负载→前驱体转化”路径，定位精度更高：Li等借pH调控静电相互作用，使带负电的Pt前驱体优先锚定于带正电的CeOx/SiO₂而非SiO₂载体(Pt/CeOx/SiO₂)，4 wt%高负载、高温下仍不产生大于1 nm的Pt颗粒；“缺陷取代”策略将富Zn缺陷超精细Mo₂C热解后负载Pt⁴⁺，得到轴向N配位(MoC-Pt-N)稳定的PtSA@Mo₂C@NC，并拓展至Ru、Ir体系(Ir占据Mo位形成稳定Ir-C配位键)。一步法简单但能耗高、对支撑体要求苛刻；两步法定位精准但金属-载体配位环境难控、热激活易致结构坍塌，二者各有适用边界。

图3. SANIs的一步法合成与表征：PtIn(Ce)团簇催化剂合成流程与Pt L3边EXAFS拟合、Ru/WCx合成路径与HRTEM/3D扫描强度分布、电脉冲法制备Pt₁-FeOx/CN、微波辅助M1/SnO₂/MOF合成及CoSA/Zn.O-ZnO水热法。

图4. SANIs的两步法合成与表征：CeOx纳米胶岛制备及Pt₁/CeOx/SiO₂合成、Ce 3d XPS与Raman表征、缺陷取代法PtSA@Mo₂C@NC合成与HRTEM/EXAFS、IrSAMo₂C/C合成示意与AC-HAADF-STEM线扫/EXAFS。

III SANIs的失活根源与多尺度稳定化机制

文章第三部分系统剖析了SACs三类失活根源及SANIs的应对策略(图5、图6)。其一是迁移与团聚：纳米岛通过静电相互作用、缺陷位点占据与电子-金属-载体相互作用(EMSI)三重机制实现双重保护——高密度分散纳米岛提供丰富分散位点，刚性空间位阻物理隔离相邻位点，完全阻断SACs迁移团聚路径；如Mo₂C纳米岛经强Mo-Pt键EMSI效应、NC轴向Pt-N配位构成三维限域，循环中Pt始终保持孤立。其二是中毒：SACs极高表面能使其易被CO、OH等强吸附物种占据，SANIs借竞争吸附与位点保护破解——Ru SAs负载于具有亲氧性的SnO₂纳米岛(Ru SAs/SnO₂-C)后，SnO₂优先吸附部分OHad并引导其定向迁移至Ru中心，3000次循环极化曲线无衰减；InCeOx纳米岛与Pt SAs的协同既抑制In0生成与Pt位点积碳，又调节丙烯吸脱附，550摄氏度反应20小时积碳仅6.2%，经氧气焙烧再生后丙烯产率完全恢复。其三是溶解：酸性介质或活性氧(ROS)侵蚀导致活性位点溶出，“岛-海协同”体系借ZnO纳米岛锚定Co SAs(Co²⁺与Zn²⁺离子半径相近实现晶格取代)、大面积ZnO“海洋”发挥两性氧化物特性将反应微环境动态维持在近中性(约6.1)，将Co溶出控制在检测限以下，10次循环后污染物降解效率仍保持90%；酸性HER体系中PtSA@Mo₂C@NC的轴向N配位保护亦有效抑制Pt溶出。

图5. SANIs优异的分散性与稳定性：纳米岛通过静电相互作用、缺陷锚定与EMSI三重机制为单原子提供物理隔离与电子限域双重保护的示意。

图6. 抗中毒与抗溶失活机制：Ru SAs/SnO₂/C合成与结合能分析、Pt-InCeOx体系Raman/TG表征与位点保护策略、Co取代Zn/O的三种ZnO构型对比。

IV 纳米岛内的“亮点火花”：电子结构调控与位点补充

本部分聚焦SANIs高活性的微观本质(图7、图8)。一方面，纳米岛通过电荷转移精确剪裁SAs电子结构：“一岛一原子”IrSAMo₂C/C中Mo₂C纳米岛表面Mo原子向相邻Ir转移电子，使Ir-5d轨道高度离域、呈现类似Ir(111)的类金属态，优化对反应中间体的结合；Ru/WCx体系中Ru占据W位形成更短C-Ru键，d带中心显著下移远离费米能级，促进脱附动力学；FeOx纳米岛作为电子给体上移Pt的d带中心，优化OH*吸附强度，并借Pt-O-Fe键电荷定向离域将Pt稳定于低自旋态，优先活化肉桂醛C=O而非C=C，加氢选择性突破。另一方面，多步反应中SACs受共吸附标度关系制约，SANIs借双活性位点协同实现“位点补充”(patulous replenishment)：Ru₁与Ruₙ位点分工——Ru₁专注H₂解离产H*(-0.84 eV)、Run负责NH₃分解产NH₂*(-1.49 eV)，破解NH₃/H₂竞争吸附，Co纳米岛封装体系使H*/NH₂*中间体快速扩散并介导后续席夫碱中间体表面反应；In₂O₃纳米片上P纳米岛与Ir SACs并行协同——Ir SACs负责CO₂吸附活化与C-C偶联，P岛强化H₂解离，决速步能垒由1.23 eV降至0.72 eV、全路径吉布斯自由能垒由0.73降至0.65 eV，实现高效乙醇电合成。这类串联/并行双位点范式为复杂反应网络的理性设计提供了新维度。

图7. 纳米岛对SAs电子结构的调控：Mo₂C表面Bader电荷与PDOS、Ru/WCx电荷差密度与d带对比、Pt₁-FeOx/CN局域态密度与d带中心、FeOx诱导低自旋Pt优化结构与差分电荷密度、多尺度电子调控机制示意。

图8. 位点补充与双活性中心协同：Ru₁/Run位点对H₂、NH₃的吸脱附能谱与覆盖平衡、Ir-P/In₂O₃体系CO₂还原吉布斯自由能路径及串联/并行协同模式示意。

V SANIs在催化中的应用

本节展示了SANIs在催化各领域的代表性进展。

电池类应用(图9)：氧还原反应(ORR)中Pt₁-FeOx/CN兼具独立分散位点稳定Pt与FeOx优化Pt d带中心的双重功能，半波电位达0.94 V(vs RHE)，碱性介质12小时后仍保持约98%初始电流密度，驱动锌空电池在零下40摄氏度极端条件下峰值功率密度45.1 mW cm⁻²、稳定循环120小时；氢氧化反应(HOR)中IrSAMo₂C的Mo→Ir电子转移增大费米能级态密度、适度提升OH结合能，加速HOR动力学；甲醇/乙醇氧化反应(MOR/EOR)中石墨炔上外延生长的Au(111)量子点与Pt-Cl₂物种(PtCl₂Au(111)/GDY)质量活性分别达175.64与165.35 A mgPt⁻¹，Cl诱导Pt d带负移弱化CO吸附、抑制CO中毒路径；氯配体修饰的PtCl/CeOx/SiO₂借Pt₁Cl₂O₄构型使CO氧化决速步能垒降至0.45 eV、氧空位形成能降至-0.08 eV，180–230摄氏度区间TOF为无氯对应体系两倍。

图9. SANIs在电池中的应用：ORR极化曲线与稳定性、ΔGOH*与Bader电荷关联、HOR自由能图、PtCl₂Au(111)/GDY的MOR-CO中毒能火山图与能量路径、Pt/CeOx/SiO₂的TOF与CO氧化机制。

析氢反应(HER)(图10)：PtSA@Mo₂C@NC借EMSI与轴向N配位在0.5 M硫酸中质量活性达75.21 A mgPt⁻¹，2小时产氢6.3 mmol、法拉第效率98.4%，并耐受12000次(酸性)与25000次(碱性)循环；多酸(POM)限域构建的H缓冲链(Pt→Obr→O3H→Mo/W→Oc→碳载体)逐级平滑ΔGH*，破解H迁移迟缓瓶颈；Ru SAs负载于SnO₂纳米岛借SnO₂更强的OH吸附竞争力(OH结合能Sn 0.36 eV vs Ru 1.06 eV)引导OHad迁移、缓解Ru位点OH中毒、促进水分解。

图10. SANIs在HER中的应用：PtSA@Mo₂C@NC电荷差密度与多性能对比、Pt₁@POMs@PC制备示意及限域/非限域体系ΔGH*自由能图与三维等高图、Ru SAs/SnO₂-C抗OH中毒机制。

化学合成(图11)：负载于SBA-15的高价Pt SACs(Pt₁FeOx/SBA15)借PtOx-Fe界面1.4 e-电子转移，使C=O结合(-0.80 eV)强于C=C(-0.68 eV)，肉桂醛(CAL)选择性加氢至肉桂醇(COL)选择性达95%；Pt/CeOx/SiO₂用于乙烯加氢，70摄氏度稳态TOF达0.096±0.004 s⁻¹，反应中Pt由Pt⁴⁺动态还原为配位不饱和Pt²⁺且全程无Pt-Pt键，借异裂H₂解离维持结构完整；还原胺化中Ru1+n@Co/MMO的Co纳米岛限域Ru₁/Run位点，AMF选择性97%、产率295 g gRu⁻¹ h⁻¹；丙烷脱氢体系0.5Pt0.3In(2.0Ce)/SiO₂实现丙烷转化率67.1%、丙烯选择性92.2%、失活常数低至0.010 h⁻¹，InCeOx纳米岛抑制Ptᵟ⁺团聚与积碳。

图11. SANIs在化学合成中的应用：CAL加氢催化结果与C=O/C=C吸附模型、Pt/CeOx/SiO₂的XANES/EXAFS、Ru1+n@Co/MMO的COIR与原位FTIR机制、丙烷脱氢的转化率/选择性/比活性。

二氧化碳还原(CO₂RR)(图12)：In₂O₃纳米片上P纳米岛与Ir SACs协同的Ir₁/Px/In₂O₃乙醇产率3.33 mmol g⁻¹ h⁻¹、TOF达914 h⁻¹，为未改性Ir SACs近8倍。高级氧化(AOPs)(图12)：CoSA/Zn.O-ZnO借Co取代Zn引发不对称电荷重分布、自旋极化与Co d带中心上移，优先生成高氧化性SO₄˙⁻，连续流反应器12小时内对磺胺甲恶唑(SMX)降解率95%、罗丹明B完全降解，并对真实焦化废水展现显著处理效能，具备工业化潜力。

图12. SANIs在CO₂还原与高级氧化中的应用：Ir₁-Px/In₂O₃原位DRIFTS与H₂解离能垒、CoSA/Zn.O-ZnO/PMS反应机制、原位Raman、PMS活化吉布斯自由能及连续流反应器示意。

VI 结论与展望

最后，文章(图13)从五个方面展望了SANIs的未来方向：(1)更广泛、高效的合成方法——电脉冲与微波法虽克服热解能耗瓶颈，但对支撑体导电性/极性要求苛刻，未来需发展兼容电场与微波场的混合载体，并精确调控纳米岛尺寸、密度与空间分布，结合DFT与多尺度模拟预测最优载体-前驱体组合；(2)创新表征技术——静态与动态表征联合应用可深入理解SANIs组成、结构与化学态，动态表征为探究反应机理、活性位点演化与失活机制提供关键工具；(3)深化“亮点火花”相互作用——需进一步揭示纳米岛与SAs之间电荷、自旋与位点互补的深层协同本质；(4)理论计算与机器学习结合——驱动SANIs理性设计与材料发现；(5)SANIs多组分协作的突破——拓展原子簇与纳米岛协同、多活性中心串联等复杂催化体系。总体而言，原子级分散与纳米尺度限域的结合拓展了反应普适性与选择性，有望成为下一代精确催化平台。

图13. SANIs未来研究方向与发展前景总结示意图。

作者简介

陈素华

本文通讯作者

南昌航空大学 教授

▍主要研究领域

重金属和微量有机污染物的生态毒性诊断与评价方法、污染土壤和水体的生态修复与生物控制。

▍主要研究成果

陈素华，女，理学博士，南昌航空大学环境与化学工程学院教授、副院长，江西省持久性污染物控制与资源循环重点实验室骨干成员。2013年11月起任南昌航空大学教授，2013年12月至2014年11月赴美国辛辛那提大学访学。长期从事污染土壤生态修复及其生态风险评估、水污染控制研究，聚焦重金属污染土壤植物修复、蚯蚓生物标志物毒性诊断及高级氧化水处理催化材料开发，相关成果发表于环境与催化领域国际期刊。

▍Email：s-hchen@nchu.edu.cn

罗胜联

本文通讯作者

南昌航空大学 教授

▍主要研究领域

重金属废水与难降解有机废水处理理论与工程技术、重金属污染控制与资源化、水污染控制与回用技术、新型环境功能材料研究。

▍主要研究成果

博士，教授、博士生导师，曾任南昌航空大学校长，湖南大学教授；国家高层次人才、何梁何利科学技术创新奖、全国创新争先奖状获得者，第六届全国杰出专业技术人才，江西省 “555” 赣鄱英才首批人选，农工党中央常委，第十二、十三届全国人大代表。担任国家自然科学基金环境工程学科评议组专家、国家重金属污染防治工程技术研究中心专家委员会副主任、重金属污染防治产业技术创新战略联盟副理事长等；主持20余项国家级、省部级科研项目，重金属污染控制与资源化国家地方联合工程研究中心主任。以第一或通讯作者发表SCI论文337篇，含高被引论文88篇、热点论文20 篇，总他引45800余次，H因子121；授权国家发明专利120余项，出版学术专著多部。获国家科技进步二等奖（排名 1）、两项国家技术发明二等奖（分别排名 1、2），以及湖南省、江西省、中国有色金属工业协会等十余项省部级一等奖。

▍Email：sllou@hnu.edu.cn

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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