【专刊】10篇Chem. Rev.综述：带你走进单原子催化的世界
通讯作者：李隽，夏幼南，Maria Flytzani Stephanopoulos
背景简介
根据Berzelius在1835年提出的定义，催化剂是一种能够加速化学反应速率而又不被消耗的物质。数十年来，催化剂为世界经济作出了重要贡献。催化剂大致分为两类：与反应物在同一相中工作的均相催化剂和在不同相中工作的非均相催化剂。由于其分子性质，均相催化剂的表征和精确描述要容易得多，甚至其反应机理也可以合理控制。然而，均相催化剂与反应产物的分离十分艰巨。此外，均相催化剂的性能还受到其热不稳定性的限制，它们中的大多数只能在低于100 °C的温度下在溶液相使用。相反地，非均相催化剂比较坚固和容易从反应混合物中分离和回收。因此，目前工业上使用的所有催化方法中非均相催化剂占大约80％。尽管非均相催化剂被广泛使用，但其表面为非均质和结构复杂，这两个因素使其催化反应机理难以解读。
研究者开发了两种方法来解决非均相催化剂的非均质性和复杂性问题：
（1） 在表面科学的背景下，基于单晶基材的模型催化剂来规避这些问题，这些催化剂可以用定义明确的表面结构。这条路线的相关研究已经表明许多催化反应对表面上原子的精确堆积高度敏感。
（2）另一种方法是将金属纳米颗粒的尺寸减小到原子水平，因此催化剂表面异质性自然会消失。这种方法也与泰勒（Taylor）在1925年提出的用于解释非均相催化剂活性的活性中心概念完全吻合。按照他的理解，催化反应的是单原子阶跃、裂缝和/或波谷，而不是催化颗粒或晶体的整个表面。
本专题涵括了SAC领域一些最活跃的参与者的贡献。Pérez-Ramírez通过加入周期表中的不同区域，对成分多样性进行了全面的考察；还突出显示了通过不同的单原子-主体组合获得的配位结构和相关属性，可用于热催化，电催化和光催化。李亚栋院士综述了各种合成策略，重点是如何稳定载体上的单个金属原子、抑制单原子的迁移和团聚；强调了合成条件如何决定结构和催化性能。郑南峰教授回顾了SAC配位化学方面的最新进展，包括各种金属和载体的组合。Gates专注于一种独特的结构均匀的催化剂体系，该体系将金属原子分散在诸如沸石型材料、MOF和共价有机骨架等晶体载体上，除了通过密度泛函理论（DFT）进行建模之外，该系统还使用原子分辨率电子显微镜，X射线吸收光谱和红外光谱进行精确表征。张涛院士讨论了基于氧化物的系统，包括其合成步骤，表征和一系列热催化的反应机理，包括WGS，选择性氧化/氢化和偶联反应。Sykes致力于研究一种称为单原子合金（SAA）的系统，该系统通常是通过将Pt，Pd，Ni，Rh和Ru等催化活性元素原子分散在更惰性、但更具选择性的体系中而制成的单原子合金。他们还强调了SAA在催化一系列重要的工业反应中的潜力。徐强教授回顾了基于MOF的系统开发的最新进展，重点是其在热催化，电催化和光催化方面的结构和应用。熊宇杰教授在光催化的背景下讨论SAC，重点是金属与载体的相互作用以及如何利用这种相互作用来优化光催化性能。王超教授对用于各种能量转换反应的单原子电催化的最新进展进行了全面的综述。最后，李隽教授等概述了开发石墨烯基SAC的最新进展，重点是石墨烯载体不同部位负载的金属单原子的稳定性以及此类催化剂对各种反应的性能，包括热催化和电催化。
在组织本专题时，作者们为读者提供一些引入入胜的、具有代表性的和最新的关于SAC研究。由于这是一个高度动态和快速发展的领域，因此不可能涵盖研究的所有方面。随着科学和工程各个领域研究人员的兴趣和贡献，这一领域必将继续强劲发展。还希望读者能够喜欢本期中介绍的主题，最重要的是，找到灵感，推动该领域在知识开发和工业应用方面取得更大的成功。
标题：Chemical Synthesis of Single Atomic Site Catalysts
通讯作者: Dingsheng Wang, Yadong Li
通讯单位：清华大学
DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00818
研究背景
以可控的方式操纵金属原子来合成具有所需结构和性能的材料是化学合成的圣杯。最近出现的单原子位点催化剂(SASC)表明，我们正在朝着这个目标前进。由于原子利用的最大效率和独特的结构和性质，SASC引起了广泛的研究关注和兴趣。SASC的科学研究和实际应用的先决条件是在适当的支撑下制造高反应性和稳定的金属单原子。本文总结了合成SASC的各种合成策略，并举例说明了合成方法在支撑上稳定单金属原子并抑制其迁移和团聚的关键问题。接下来，作者将讨论合成条件如何影响SASC的结构和催化特性，然后通过强调SASC合成的前景和挑战以及进一步的科学研究和实际应用来结束本文。
研究要点
要点一：在这篇综述中，作者重点介绍了SASC化学合成的最新进展，重点介绍和总结了SASC的各种合成策略，特别强调了如何在合成和反应过程中实现单个金属原子的稳定，以防止迁移和聚集。
要点二：此外，作者还说明了SASC的合成过程，如退火温度、配位位点设计、载体选择等，如何影响SASC的原子结构和稳定性以及催化性能。
要点三：最后，提出了SASC合成的发展方向，并对SASC的进一步科学研究和实际应用提出了展望和挑战。
总结
单原子催化已成为多相催化领域最活跃的研究前沿之一。近年来，SASC的化学合成、表征技术和重要催化反应(CO氧化、费托合成、水汽变换反应、二氧化碳转化、化学选择性加氢、燃料电池等)的优异性能取得了很大进展。在这篇综述中，作者强调了SASC的各种合成策略，并重点讨论了如何利用设计的载体来防止单个金属原子在合成过程中的迁移和聚集。然而，在SASC的蓬勃的发展过程中，围绕单原子位点催化剂的前景，仍有许多巨大的挑战有待进一步探讨。
标题：Single-Atom Catalysts Based on the Metal−Oxide Interaction
通讯作者: Botao Qiao, Tao Zhang
通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所
DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00797
研究背景
分散在氧化物载体上的金属原子构成了一大类单原子催化剂。本文综述了氧化物负载单原子催化剂在热催化中的合成过程、表征和反应机理，如水汽变换反应、选择性氧化/氢化和偶联反应。一些典型的氧化物材料，包括氧化铁、氧化铈、二氧化钛、氧化铝等，由于在锚定金属原子和参与催化反应中作为载体的独特作用而被有意提及。总结了金属原子与氧化物载体之间的相互作用，给出了如何稳定原子金属中心，合理调整单个原子的几何结构和电子态。
研究要点：
要点一：本综述的重点是金属氧化物支持的SAC，这不仅是由于SAC的第一个例子是基于氧化物支持，而且也是由于它们的优点。主要内容包括讨论各种氧化物作为载体，氧化物负载的SACs的制备和表征，金属−支持金属原子与氧化物材料之间的相互作用，以及一些具有代表性的热催化应用，试图理顺结构−性质关系。
要点二：第一节涉及用作载体的氧化物。以下各节重点介绍了已应用于SACS的一般制备方法和成熟的表征技术，特别是那些基于氧化物载体的方法。随后的部分专门讨论金属−氧化物相互作用，因为单分散金属原子的配位结构和电子性质与它们的位置和周围环境密切相关。最后，将讨论热化学催化中的反应机理，包括CO氧化、选择性加氢和有机偶联反应。
总结
自提出“单原子催化”概念以来，该领域发展迅速。在这篇综述中，作者提出了一个基于金属−氧化物相互作用(主要是氧化物支持的金属SAC)的SAC的全面总结，包括它们的合成、表征和典型的催化应用。作者还讨论了金属−氧化物的相互作用，因为它们在确保活性金属的原子分散方面往往是至关重要的，从而保持了所需的催化功能。在某种程度上，SAC的良好稳定性，源自增强的MSI，可能是实现进一步商业化的关键。考虑到SACS的巨大潜力，大量的机会可能会推动SACS的快速发展。
标题：Theoretical Understandings of Graphene-based Metal Single-Atom Catalysts:Stability and Catalytic Performance
通讯作者: Jun Li
通讯单位：南方科技大学
DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00818
研究背景
多相单原子催化剂(SACs)由于其在贵金属的高利用率、精确识别的活性中心、高选择性和可调谐活性等方面的优势，已成为催化科学中的一个新兴前沿。石墨烯作为一种具有独特结构和电子性能的一原子厚的二维碳材料，已被报道为SACs的极好载体。在此，作者概述了石墨烯基SACs的研究进展。在大量的出版物中，我们将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SACs对不同化学反应的催化性能，包括热催化和电催化。作者将总结对石墨烯基SACs的电子结构及其与催化性能的内在联系的基本认识，并对石墨烯和类石墨烯材料的高效SACs的未来设计提供简要的展望。
研究要点
要点一：在这篇综述中，作者将讨论石墨烯基SACs理论研究的最新进展。首先，系统地总结负载在不同石墨烯载体上的金属SAs的稳定性。
要点二：然后，通过讨论金属SA及其配位环境如何影响催化活性和反应机理，突出不同非均相催化反应的催化性能。
要点三：本综述的目的是总结金属SAs与载体之间的结构和键合，以及催化活性与几何/电子结构之间的关系，以指导石墨烯基SACs的设计，获得更好的性能。
总结
作者指出石墨烯基单原子催化剂具有简单而有效的催化活性中心。这种活性中心为合理设计高性能的热、电、光催化剂提供了巨大的机会，用于基本和工业上重要的化学反应。这些催化剂也为精确的量子化学研究结构、键合和催化机理提供了一个很好的模型系统。利用这些具有原子精确活性中心的新型多相催化剂，可以设计和实现高选择性的催化反应。石墨烯基单原子催化剂向单簇催化剂的推广似乎为原子精确的多相催化复杂的化学反应提供了鼓舞人心的未来。
标题：Heterogeneous Single-Atom Photocatalysts: Fundamentals and Applications
通讯作者: Yujie Xiong
通讯单位：中国科技大学
DOI：10.1021/acs.chemrev.9b00840
研究背景
单原子光催化剂已显示出其引人注目的潜力，并因其在增强光捕获，电荷转移动力学和光催化系统的表面反应方面的引人入胜的优势而成为光催化领域最活跃的研究方向。尽管最近已积累了对单原子光催化剂的多种理解，但先进的表征技术和重要的理论研究正在加深我们对这些引人入胜的材料的理解，使我们能够预测它们在光催化中的工作机理和应用。在这篇综述中，我们从描述单原子光催化剂的一般背景和定义开始。然后简要讨论了金属-载体在单原子光催化剂上的相互作用。之后，总结了目前可用于单原子光催化剂的表征技术，在对单原子光催化剂有一些基本了解之后，讨论了它们在光催化中的优势和应用。最后，我们以单原子光催化剂的剩余挑战和未来前景为视角来结束本综述。我们希望这次审查将为单原子光催化剂的未来发现提供一些启发，从而明显刺激这一新兴研究领域的发展。在本文结束时，作者将探讨单原子光催化剂的剩余挑战和未来前景。
研究要点
要点一：在这篇综述中，作者从最近开发的单原子光催化剂的方法开始，利用金属−载体相互作用，阐明各种SAC系统的精细几何和电子结构，以及关键的光谱表征技术来确定一个系统是否是SAC。
要点二：将展示SACS在光催化中调节光收集、电荷转移动力学和表面反应的迷人作用，以全面了解SACS在光催化中的结构−性能关系。
要点三：强调了非均质单原子光催化剂在关键太阳能到化学能转换中获得优异性能的应用，包括水裂解、CO2还原、N2固定、有机合成和环境修复。最后，将讨论单原子光催化剂进一步研究和应用的剩余挑战和未来展望。
总结
在光催化中采用单原子被认为是一种将入射太阳能转化为化学能的高效策略，但在机理理解和可控合成策略方面仍需进一步发展。在过去的几十年中，在理解单原子光催化剂的理化性质和功能方面取得了重要的里程碑。同时，还已经开发出用于定制这些材料的电子和化学结构的先进方法，从而推动其在各种光催化应用中的快速发展。
标 题：Metal−OrganicFramework-Based Catalysts with Single Metal Sites
通讯作者:Ruiqiang Zou, Qiang Xu
通讯单位：扬州大学、北京大学
DOI：10.1021/acs.chemrev.9b00757
研究背景
金属有机骨架（MOF）是一类独特的多孔晶体材料，由金属离子/簇和有机连接基构成。由于其结构的多样性，功能的可调节性和高的表面积，人们充分利用了不同类型的基于MOF的单一金属位点，包括来自金属节点和金属连接基的配位不饱和金属位点，以及固定在MOF上的活性金属。此外，MOF的可控热转变可以将它们升级为使用活性单原子催化剂（SAC）功能化的纳米材料。MOF及其衍生物的这些独特功能使它们可以用作催化的高度通用平台，实际上已经成为一个快速发展的跨学科研究领域。在这篇评论中 作者概述了基于MOF的材料在单个金属位点催化的最新进展，重点是其结构及其在热催化、电催化和光催化中的应用。作者还将比较结果并总结本次回顾中从工作中获得的主要见解，从而提供这一新兴领域中的挑战和前景。
研究要点
要点一：在本文中，作者将及时回顾MOFs和MOF衍生材料作为新兴支架固定催化活性单一金属位点的最新进展。首先介绍了合理构建这种单一金属矿催化剂的各种合成方法，其中它们的结构识别利用强大的表征技术，将在分子/原子水平上仔细讨论。
要点二：然后，作者回顾了这些成熟的单一金属矿催化剂在不同反应中的不同催化应用，通常包括热催化、电催化和光催化，并强调了结构和性能之间的关系，为单一金属中心的运行提供了机械理解。
要点三：最后，作者对这一新兴的研究课题提出了未来的展望和几种观点。
总结
非均相单位催化在将均相体系和非均相体系的优异性能集成到单个固体中具有巨大的潜力。特别是，由于几乎无限的设计可能性，MOFs最近成为理想的平台，以实现单一金属矿催化剂的不同催化应用。具体而言，与传统催化剂相比，MOF基单一金属位点催化剂具有许多优点：
1. 金属位点的完全分散和分离最大限度地利用它们；
2. 金属位点在不同拓扑MOFs中的可控空间位置和方向提供协同催化和级联反应；
3. 高的永久孔隙率和比表面积，大大促进金属位点的进入和传质；
4. 活性金属中心周围的可调谐微环境，显著提高反应活性和/或选择性；
5. 明确界定的MOF结构，为深入了解结构-MOFs关系创造了可能性。
标题：Surface Coordination Chemistry of Atomically Dispersed Metal Catalysts
通讯作者: Nanfeng Zheng
通讯单位：厦门大学
DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00094
研究背景
原子分散金属催化剂(ADC)作为一类新兴的多相催化剂，在过去的二十年中得到了广泛的研究。催化金属中心的原子分散性质使它们成为连接均相和多相金属催化剂的理想体系。最近，新的合成策略的迅速发展导致了ADC的爆炸生长，其广泛的金属原子分散在不同化学成分和性质的载体上。各种ADC的可用性为研究复杂的多相催化在原子水平上的机理创造了一个强大的材料平台。考虑到ADC上大多数分散的金属原子是由载体的供体协调的，本综述将演示表面配位化学如何在确定ADC的催化性能方面发挥重要作用。本综述将从配位化学与多相催化的联系入手。在简要介绍了常用结构表征方法在确定ADC的配位结构方面的优点和局限性后，将讨论ADC在不同类型支架上的表面配位化学。作者将主要说明不同载体系统上的局部和间接配位物种如何与分散的催化金属中心起作用，以确定ADC的催化活性、选择性和稳定性。重点介绍了催化中ADC的动态配位结构变化。
研究要点
要点一：虽然ADC是在原子水平上清楚地表征催化中心结构的良好系统，但理想的先决条件是在完全相同的化学环境中分散金属物种。然而，在许多化学制备的ADC中，这种情况是很难实现的。因此，有有效的表征工具使我们能够识别ADC中的多个色散状态是非常重要的。
要点二：在这篇综述中，作者首先介绍了各种常用结构表征方法在确定ADC协调结构方面的优点和局限性。
要点三：这篇综述将讨论四种主要载体的ADC，即离子、共价、金属和离子-共价杂化(如MOFs)固体，重点讨论催化中心的电荷状态和配位结构如何主要在固态配位化学的概念框架下决定ADC的催化作用。ADC的协调结构和电子状态可以通过来自不同类型支持的捐助者的协调来调节。这些可调谐因素进而通过影响与底物和中间体的相互作用而在催化中发挥关键作用。
要点四：在没有直接化学键入催化金属中心的情况下，即氧化物支撑中的阳离子、共掺物种、表面上的其他添加剂，也会改变ADC的催化性能。因此，这篇综述将强调促进ADC催化的间接影响。
总结
正如本综述中广泛讨论的那样，当负载金属催化剂的催化金属的尺寸最小化为单个原子时，这些原子分散的金属物种的配位环境成为决定催化剂整体催化性能的主要因素，包括活性、选择性和稳定性。中心金属原子及其氧化状态、配位数和几何形状以及来自载体的周围配体是描述原子分散金属催化剂配位结构的关键元素。这些元素一起发挥作用，以诱导空间和电子效应，以确定ADC的催化作用，类似于均相金属催化剂。从这个角度来看，原子分散的金属催化剂是弥合多相催化剂和均相催化剂之间差距的理想体系。加上100%的金属分散，分子水平了解ADC的催化机理，有望为实际应用提供设计成本效益高的高性能催化剂的能力。
标题：Advanced Electrocatalysts with Single-Metal-Atom Active Sites
通讯作者:Minhua Shao, Shaowei Chen, Gang Wu, Jie Zeng, Chao Wang
通讯单位：香港科技大学、约翰斯·霍普金斯大学、中国科学院合肥物理研究所
DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00594
研究背景
以单个金属原子为活性中心的电催化剂由于其高的原子利用效率和奇特的催化活性和选择性而受到越来越多的关注。本综述旨在对这种单原子电催化剂(SAECs)在各种能量转换反应中的最新发展提供一个全面的总结。讨论首先介绍了不同类型的SAEC，然后概述了控制金属中心原子分散和使用最先进的微观和光谱技术进行原子分辨表征的合成方法。为了认识到SAECs的广泛应用，对电催化研究进行了各种重要的电化学反应，包括析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)和氮还原反应(NRR)。在每种情况下，SAECs的例子都是从其催化性能、结构−性能关系和催化增强机制等方面进行讨论的。在每一节的末尾，都提供了一个关于SAECs发展的剩余挑战和机会的观点，以便进行有针对性的反应。
研究要点
要点一：本综述旨在总结近十年来在单原子电催化剂开发方面取得的进展。为了认识到它们独特的结构和性能，作者将重点放在它们在各种电化学反应中的独特催化性能和相应的机理研究上。
要点二：考虑到合成和表征在理解结构−性质关系方面的重要性，我们还简要概述了控制金属中心在各种衬底上的原子分散的各种合成方法，以及能够描述这种原子结构的最新微观和光谱技术。
要点三：作者还强调，SAECs在此指具有原子分散活性中心的电催化剂，它们通常是处于阳离子或金属状态的过渡金属。从下面的讨论中可以看出，只有通过共价或金属键与适当的衬底稳定，这种单原子活性中心才能存在。
总结
单原子电催化已经发展成为电化学研究的新前沿。SAECs独特的原子结构和吸附性能使其在提高电化学反应的能量转换和化学转化效率方面具有重要意义。与具有各种表面结构的传统纳米催化剂相比，SAECs被认为是定义良好的活性位点模型；因此，结构−性质关系可以精确地描述，并易于应用于先进电催化剂的合理设计。在许多情况下，优越的催化活性和选择性已经被证明，先进的催化性能通常来源于外来金属−底物的配位和电子相互作用。由于其金属元素的高利用效率和非贵金属在苛刻的反应条件下的稳定性，SAECs在降低电化学系统成本方面也具有很大的潜力。
标题：Atomically Dispersed Metals on Well-Defined Supports including Zeolitesand Metal-Organic Frameworks: Structure, Bonding, Reactivity, andCatalysis.
通讯作者: Bruce C. Gates
通讯单位：美国加州大学戴维斯分校
DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00864
研究背景
当负载型催化剂中的金属被原子分散时，它们通常是阳离子的，并且化学结合到载体上。这类贵金属的研究正在迅速增长，导致发现具有新性能的催化剂。这些材料的表征是具有挑战性的，因为金属原子驻留在通常不均匀的组成和结构表面。作者认为，对这些材料的结构和催化性能的理解最强烈地来自于结构均匀的催化剂（分散在晶体载体上的金属原子）的研究，这些催化剂可以用原子分辨率电子显微镜、X射线吸收光谱和红外光谱进行尖锐的表征，并得到密度泛函理论的支持。
研究要点
要点一：本文讨论的主题是原子分散负载金属的结构表征、反应性和催化性能。
要点二：作者包括合成方法的简要说明（通过前体在溶液中与支撑表面的反应），并强调表征实验的结果，阐明结构、再活性和催化性能，突出金属物种及其周围的均匀性程度以及结构与催化性能之间的关系。
要点三：虽然原子分散的负载金属已经在技术中使用了几十年，但只有当电子显微镜开始提供在载体上分离的金属原子的图像时，它们才成为一个热门的研究课题，从而证明没有金属团簇或粒子。这种图像使一些作者推断，催化剂在某种意义上是理想的，金属及其周围环境是均匀的，尽管大多数载体表面具有内在的异质性。
总结
原子分散并与固体表面结合的金属具有反应性和催化特性，与传统的支撑金属催化剂有明显的不同，传统的支撑金属催化剂由支撑上的簇或纳米颗粒组成。原子分散在载体上的金属，如金属氧化物，是带正电荷的，具有由电荷和与金属结合的配体决定的再活性，其中包括载体。最广为人知的样品将金属纳入几乎独特的支撑表面键位点，因此支撑的物种几乎都是相同的。然后，光谱本质上代表了独特的结构，而不仅仅是异质表面结构的平均值，这些定义明确的样品与大多数样品形成鲜明对比，这些样品由原子分散的金属在支撑上组成，这些金属通常是金属氧化物和各种形式的碳。
标题：Single-Atom Alloy Catalysis
通讯作者:E. Charles H. Sykes
通讯单位：塔夫茨大学
DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00078
研究背景
单原子合金(SAAS)在单位催化领域发挥着越来越重要的作用，通常由原子分散在更惰性和催化选择性的宿主金属中的催化活性元素组成。在电、光和热催化研究中，SAAS已被证明能催化一系列工业上重要的反应。由于SAAS独特的几何形状，反应中间体的过渡态和结合位点的位置往往是解耦的，这可以使反应物的容易解离和中间体的弱结合成为有效和选择性催化的两个关键因素。通常，这会导致偏离限制传统催化剂的过渡金属结构关系。SAAS还降低了CO中毒的易感性，降低了贵金属使用量的成本，提供了通过溢出产生双功能机制的机会，以及提高了对许多工业催化剂失活的抵抗力。在这篇综述中，我们首先介绍了SAAS，并描述了如何制备和表征模型体系和纳米粒子催化剂。然后，作者回顾了所有可用的SAA文献，在每个反应的基础上，最后描述了这类新的多相催化剂的一般性质，并为未来的研究和开发提供了机会。
研究要点
要点一：作者首先描述了如何在模型体系和纳米粒子形式下制备和表征SAAs，然后回顾了SAAs在广泛的工业重要反应中的化学反应性的文献。
要点二：然后，作者对这类新型多相催化剂的一般性质、工业规模的可行性以及未来研究的潜在领域进行了评述。
要点三：SAAS是一种新型的多相催化剂，具有许多理想的性能。这些包括对具有抗失活能力的产品的高选择性，导致双功能的溢出途径，能够打破传统线性标度的特性，以及新的电子结构。
总结
正如作者详细讨论过的，在过去的8年里，SAA领域已经有了相当多的研究，但SAA仍然是一种非常新型的多相催化剂，需要更多的工作来充分了解它们在更广泛的金属组合和不同反应中的性能。在一般意义上，由于它们非常明确的活性中心和高选择性的SAAS可以被视为有点类似于均相催化。通常，多相催化剂在高温下是稳定的，但由于暴露于许多不同的、不明确的活性中心，导致选择性差。另一方面，均相和酶催化剂具有非常明确的活性位点，具有很高的选择性，但它们在进行许多工业反应所需的高温下降解。SAAS结合了均相催化中常见的均匀活性中心和多相催化中常见的热稳定性。其特殊的催化活性和简单，低成本的合成方法，使SAAs成为理想的工业化学催化剂。
标题：Single-Atom Catalysts across the Periodic Table
通讯作者: Javier Perez-Ramírez
通讯单位：苏黎世联邦理工学院
DOI:10.1021/acs.chemrev.0c00576
研究背景
具有独特反应性的孤立原子是酶催化剂和均相催化剂的核心。相反，虽然这一概念早已存在，但单原子多相催化剂(SACs)直到最近才得到重视。载体材料与均相催化剂中的配体具有相似的功能，决定了孤立原子的稳定性、局部环境和电子性质，从而为多相催化剂的靶向应用提供了一个平台。在短短十年的时间里，许多SACs的例子被报道，它们以其独特的反应性破坏了多相催化的不同领域，并大大丰富了我们对表面分子过程的理解。通过广义地定义单原子催化，探索了全部元素多样性，在整个周期表中加入了不同的区域，并讨论了历史里程碑和最近的发展。作者研究了通过不同的单原子−载体组合获得的配位结构和相关特性，并将它们在热、电和光催化中的主要应用联系起来，揭示了元素特异性演化、载体设计和用途的趋势。最后，作者强调了该领域的前沿，包括多金属SACS、原子接近控制以及多步和级联反应的可能应用，确定了挑战，并为这一繁荣领域的未来发展提出了方向。
研究要点
要点一：在短短十年内，单原子催化在多相催化领域产生了真正的轰动，导致了许多令人兴奋的发现。考虑到将孤立原子与宿主系统配对并微调它们的配位环境的几乎无限的可能性，尚未发现的SACs的数量和潜力呈现出有趣的前景。
要点二：作者首先概述了SACs的一些基础方面，随后，分析了周期表中每个元素的动态，无论是单独的，还是在小组内的，这取决于现有的文献。特别关注的是独特的结构和性质，这是通过迄今报告的不同的单原子−载体组合确定的。讨论了从常用的表征工具中提取的单个指纹，强调了特定元素的特征和挑战。
要点三：介绍了基于聚类和/或纳米颗粒的系统的应用和选择的结构-性能关系。
总结
在这篇综述中，作者已经证明了在孤立的化学环境中含有外来原子的多相催化剂在元素周期表中是普遍存在的，并且起着关键的催化作用。开放骨架材料和杂原子掺杂碳等同长期以来已知含有孤立的活性中心，并被商业开发用于不同的应用。相反，后过渡金属单原子的催化使用在过去十年中才得到证明。随后的研究浪潮使LTM基单原子催化剂成为当今该领域研究最深入的周期表基团之一。然而，单原子催化的范围远远超出了晚期过渡金属，碱金属、早期过渡金属、镧系、过渡后金属、类金属和非金属都有相当多的例子。由于后者的报告往往缺乏对活动组件的结构和大小的详细描述，因此SACs的实际范围甚至更广，并将继续增长。
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文本编辑：Kelvin；文本审核：Hiphone