石墨烯中掺入的单原子催化剂 (SAC) 在许多应用中发挥着越来越重要的作用，包括可持续能源转换/存储和环境系统。这种通常由稳定在坚固石墨烯载体上的原子金属活性位点组成的协同结构，突破了贵金属基催化剂的固有局限性并拓宽应用范围，同时实现高原子利用率、显着的新型催化活性和构象灵活性。受石墨烯中 SAC的优异特性的启发，大量的研究工作致力于开发这种终极催化系统。遗憾的是，迄今为止，尽管已经积累了大量的研究成果，但对其基本反应机理和合理设计原则的探索却常常被忽视。

有鉴于此，韩国科学技术院Sang Ouk Kim和庆熙大学Joonwon Lim等人，总结了石墨烯中 SAC 合理设计的新视角，概念上以石墨烯的原子级异质元素掺杂为中心。

本文要点

1）为了从科学的角度直观地看待SAC，根据掺杂剂在催化剂体系中的具体作用，提出了一种新的通用SAC分类方案，即“掺杂诱导催化剂”和“掺杂辅助催化剂”。在此基础上，提出了影响掺杂诱导催化剂体系催化活性的关键因素，以及高性能催化剂的合理设计规则。综述了近年来掺杂诱导催化剂体系在氧还原、析氧、析氢和二氧化碳还原等催化应用方面的研究进展。最后，简要讨论了未来研究方向面临的挑战和机遇。

2）首先，如何在最佳目标位置诱导单原子或多原子掺杂剂的确切化学结构仍然是石墨烯表面的一个巨大挑战。控制整体掺杂水平或前驱体成分是目前基于掺杂剂的石墨烯催化剂体系的主要生产途径。这甚至引起了最近对基于任意掺杂剂的不受控制的石墨烯催化系统的怀疑。为了解决石墨烯惰性、非特异性表面状态下的这一挑战，新出现的利用金属有机框架(MOF)或其他相关明确界定的前驱体的合成方法前景广阔。

3）石墨烯基电催化剂的另一个固有挑战是催化稳定性不足。在具有代表性的OER中，由水分子解离产生的各种活性氧中间体可以氧化石墨烯载体。这导致石墨烯优异的电学性能下降，甚至导致掺杂活性中心与载体分离，最终导致催化剂性能显着下降。因此，非常需要对石墨烯基材料进行适当的原子级设计，以紧密锚定掺杂剂活性中心，以实现具有高长期稳定性和高催化活性的高性能电催化剂。

参考文献：

In Ho Kim et al. Discovery of Single-Atom Catalyst: Customized Heteroelement Dopants on Graphene. Acc. Mater. Res., 2021.

DOI: 10.1021/accountsmr.1c00016

https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00016