多相单原子催化剂（SAC）具有贵金属利用率高、活性位点准确、选择性高、活性可调等优点，已成为催化科学的一个新兴前沿领域。石墨烯是一种单原子厚度的二维碳材料，具有独特的结构和电子特性，是一种极好的SAC载体材料。

有鉴于此，清华大学李隽教授等人，综述了近年来石墨烯基SAC的研究进展。

本文要点

1）选择性地关注锚定在石墨烯载体不同位置的金属单原子(SAs)的稳定性，以及石墨烯基SAC对不同化学反应(包括热催化和电催化)的催化性能。对石墨烯基SACs的电子结构及其与催化性能的内在联系的基本认识进行了总结，并简要介绍了未来用石墨烯和类石墨烯材料设计的SAC的前景。

2）基于石墨烯的单原子催化剂结合了2D石墨烯载体和单原子活性位点的优点，已被证明是许多典型多相催化过程中强有力的催化剂。这些单原子催化剂为研究结构-功能关系和利用最先进的量子化学方法在原子层面上理解催化性能提供了优秀的模型系统。从稳定性的角度来看，根据石墨烯载体的条件，金属SAs与石墨烯载体之间的相互作用可分为（a）负载型（对于原始，掺杂的石墨烯和氧化石墨烯）和（b）嵌入/插入型（对于有缺陷和掺杂的有缺陷石墨烯）。后者由于插入/嵌入的金属SA与形成局部配体场的底物原子之间的离子键和共价金属-载体相互作用而更加稳定。从结构与性能的关系来看，石墨烯基SAC的催化活性可以归因于金属原子的d轨道与配位的非金属原子的p轨道（通常为C，N， O，B，P等）之间的强电子相互作用。因此，催化活性与金属SAs的离散量子态及其局部化学配位环境(包括配位数和最近邻原子的类型)密切相关。

3）石墨烯载体不仅为稳定的SAC提供了基础，而且通过电荷转移和共价轨道相互作用决定了催化性能。总之，对石墨烯基SAC进行不同催化反应的理论研究报告涉及VIII至IB族的几乎所有3d，4d，5d过渡金属，甚至包括某些主族元素（Al，Si，Mg，Ca），以及各种类型的石墨烯载体，包括原始石墨烯，氧化石墨烯，有缺陷的石墨烯等。石墨烯锚定的单原子催化剂是研究单原子金属-载体相互作用，结构-性能关系以及SAC活性和选择性的周期性趋势的理想模型。

参考文献：

Hong-Ying Zhuo et al. Theoretical Understandings of Graphene-based Metal Single-Atom Catalysts: Stability and Catalytic Performance. Chem. Rev., 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00818

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00818