单原子催化剂（SAC）在电催化中已引起人们的极大关注。将金属纳米颗粒尺寸缩小为纳米簇甚至单原子都可以明显提高催化活性和对电化学反应的选择性。金属原子在SAC中的高分散性不仅有利于对各种电催化反应的高催化活性和选择性，而且在大规模应用中提高了原子的利用率并降低了成本。此外，SAC的单个原子与载体以及不饱和配位环境之间的相互作用可以提高电催化性能。单个原子与支持物之间的强相互作用导致可调电子结构，从而增强了SAC的催化性能。原子分散催化剂的不饱和配位环境对催化位点上反应物的吸附和活化起着重要作用，有利于降低电化学反应的能垒。
有鉴于此，吉林大学管景奇教授等人，对氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)、析氢反应(HER)、氢氧化反应(HOR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)和氮还原反应(NRR)的单原子电催化剂的研究进展进行了综述，包括Sc、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Sn、W、Bi、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt和Au等具有单金属或双金属位点的催化剂。
本文要点
1）介绍了具有新型结构和组成的单原子电催化剂的最新发展。突出说明了对过程-结构-性质关系的理解。综述了SAC在燃料电池、锌-空气电池、电解槽、CO2RR和NRR中的电催化性能和稳定性。讨论了单原子电催化这一新兴领域面临的挑战和前景。
2）以SACs取代传统贵金属催化剂是一项紧迫而又严峻的挑战。而单金属原子由于其较大的表面自由能而易于团聚。电催化过程中可能出现单原子聚集，导致单原子、金属纳米粒子和纳米团簇的混合相，从而影响催化活性和反应机理。为了避免单原子的聚集，目前大多数研究以低金属负载的SACs为主，暴露出的活性位点丰度低，极大地限制了SACs的实际应用。除了单个原子的团聚外，SACs在实际条件下的活性和长期耐久性仍然具有挑战性，这对于大规模商业应用至关重要。例如，酸性介质中的ORR电催化剂大多活性不足且不稳定，这极大地限制了SACs在PEMFCs中的应用。为了解决这些问题，重要的是选择合适的金属前体和载体以实现金属中心与载体之间的强相互作用。
3）此外，对SACs的催化机制还缺乏全面的了解。一些先进的表征技术如HAADF-STEM和XAS是鉴定真实活性位点的有效方法。但是，它们无法监测电催化过程中活性位点的动态变化(如结构和成分的变化)，这在一定程度上限制了对复杂的SAC催化机理的深入了解。因此，应该发展更多的原位/operando表征方法，但这些方法到目前为止还不够成熟，不能满足实际条件下的要求。
参考文献：
Qiaoqiao Zhang et al. Single‐Atom Catalysts for Electrocatalytic Applications. Advanced Functional Materials, 2020.
DOI: 10.1002/adfm.202000768
https://doi.org/10.1002/adfm.202000768
