单原子催化剂的制备、表征及催化性能（英文）

单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂.与传统载体型催化剂相比,SACs具有活性高、选择性好及贵金属利用率高等优点,在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电化学催化等领域都具有广泛应用,是目前催化领域的研究热点之一.常见的SACs制备方法有共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及反奥斯瓦尔德熟化法等.实验及理论研究表明,单原子催化剂高的活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用及由此引起的电子结构改变.载体是影响单原子催化剂性能的重要因素之一.目前常用的SACs载体有金属氧化物、二维材料和金属纳米团簇等,本文着重综述了这三种负载型SACs的制备、表征、催化性能及催化机理,并概述了SACs未来可能的发展方向和应用.研究表明,共沉淀法、湿浸渍法和反奥斯瓦尔德熟化法等方法可用来制备氧化物负载的SACs.高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)表明金属是以单原子形式均匀分散在载体上,近边X射线吸收精细结构(XANES)结果表明金属原子与载体之间存在着强相互作用.实验和理论研究均表明该类催化剂在CO氧化反应、水煤气转化及乙炔加氢生成乙烯等反应中具有高的催化活性和稳定性.采用化学气相沉积法和原子层沉积法等方法可以将金属原子稳定地负载在具有缺陷活性位点的石墨烯、MXene及六方氮化硼等二维材料上并相应制备出SACs.X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和XANES分析表明样品中金属以单原子形式存在,而且金属原子与载体之间也存在着强相互作用,理论计算表明金属原子与二维载体之间的电荷转移是SACs活性高的主要原因.置换反应法和连续还原法是制备溶胶型SACs的有效方法,其中置换反应法可将活性金属原子原位组装在金属模板团簇的顶点位置,连续还原法可将活性原子负载于金属模板团簇的表面.DFT计算表明活性原子和金属模板团簇之间存在电荷转移效应,这是溶胶型SACs具有非常高的催化活性的主要原因.SACs下一步的研究方向可能是:(1)研究开发新型SACs,尽可能提高催化剂中活性金属原子的含量;(2)深入研究SACs的结构、活性以及催化机理之间的关系;(3)尝试将SACs大规模应用于工业催化.     

气相金属催化反应综述

金属催化剂在工业、环境、能源以及生物等过程具有重要的应用.设计具有特定活性、环境友好型以及室温下具有反应活性的催化剂,需要在分子水平对金属催化剂的基元步骤,活性位点的结构以及催化反应微观机理有充分的认识.然而,由于宏观催化剂表面结构异常复杂,催化反应常受到溶剂、压力、金属颗粒团聚、催化剂表面缺陷等因素的干扰,利用现有实验仪器,从微观角度探索金属催化反应机理仍具有较大挑战,因此,对金属催化剂活性位的结构以及反应微观机理的认识还不十分清楚.质谱方法结合现代量子化学理论计算,提供了在气相条件下实验探索化学反应微观机理的有力工具,团簇反应可在隔离外界条件、可控以及可重复条件下进行,可以排除一些难以控制因素的干扰,可在化学键和分子结构水平认识金属活性位的结构以及催化反应的微观机理.气相金属团簇离子可用多种实验方法制备,与反应物分子反应后可利用多种质谱仪器探测,根据实验上所得的具有反应活性的团簇,结合现代量子化学理论模拟,得到金属催化反应的基元步骤以及微观反应机理信息,所得反应机理信息为宏观催化剂的设计提供重要理论研究基础.本综述总结了团簇实验上已经探测到的金属单原子离子、金属团簇、金属氧化物团簇和金属化合物催化的气相反应.反应物分子囊括了大量的无机和有机分子,包括CO,H2,CH4,C2H2,C2H4,C6H6,CH3OH,HCOOH,CH3COOH等.本综述主要介绍了以下三类催化反应:(1)CO催化氧化;(2)CH4催化转化;(3)催化脱羧反应,并重点关注贵金属单原子掺杂团簇独特的催化反应性.单原子催化剂可最大限度地利用有限的贵金属.在化学反应方面,单原子催化剂具有特异的反应活性,选择性以及稳定性.本综述对气相团簇反应中报道的两个重要的贵金属单原子掺杂团簇的催化反应进行了详细介绍:(1)金原子掺杂的AuAl3O3-5+团簇为首次报道的可以利用分子氧催化氧化CO的团簇单原子催化剂,我们对Au原子起催化作用的本质原因进行了介绍:(2)铂原子掺杂的PtAl3O5-7-团簇能利用分子氧催化氧化CO,该研究提出了"电负性阶梯"效应来解释Pt原子催化的微观机理,且此效应有望对大部分贵金属适用.此外,本综述对CO催化氧化反应和CH4催化转化反应的研究现状以及尚未解决的问题进行了剖析.相比CO的催化氧化反应,科学家对CH4催化转化反应机理的认识还不够深入,还需要进一步实验研究,而团簇单原子催化剂有望在此领域有所突破.     

炭材料负载金属催化剂催化硅氢加成反应进展

炭材料具有比表面积大、孔径可调、取材广泛等优点,以其为载体负载金属活性组分制备硅氢加成催化剂极具发展前景.我们详细总结了近20年不同炭材料如活性炭、石墨与石墨烯、碳纳米管、富勒烯、卡宾等在硅氢加成反应中负载金属催化剂的制备方法、催化性能以及可能的催化机理,并对有望应用到该反应的新型炭材料载体进行了对比与展望.认为未来硅氢加成炭负载型催化剂的研究可聚焦于(1)探寻新型双金属活性组分以进一步提高催化活性;(2)研发更具优势的金属配体,明晰配体与载体、配体与金属之间的相互作用关系以提高催化选择性与稳定性;(3)结合科学可靠的催化机理研究,以期研发出更符合可持续发展要求的炭负载型硅氢加成金属催化剂,可使硅氢加成反应基本实现原子经济性.     

气相金属催化反应综述（英文）

金属催化剂在工业、环境、能源以及生物等过程具有重要的应用.设计具有特定活性、环境友好型以及室温下具有反应活性的催化剂,需要在分子水平对金属催化剂的基元步骤,活性位点的结构以及催化反应微观机理有充分的认识.然而,由于宏观催化剂表面结构异常复杂,催化反应常受到溶剂、压力、金属颗粒团聚、催化剂表面缺陷等因素的干扰,利用现有实验仪器,从微观角度探索金属催化反应机理仍具有较大挑战,因此,对金属催化剂活性位的结构以及反应微观机理的认识还不十分清楚.质谱方法结合现代量子化学理论计算,提供了在气相条件下实验探索化学反应微观机理的有力工具,团簇反应可在隔离外界条件、可控以及可重复条件下进行,可以排除一些难以控制因素的干扰,可在化学键和分子结构水平认识金属活性位的结构以及催化反应的微观机理.气相金属团簇离子可用多种实验方法制备,与反应物分子反应后可利用多种质谱仪器探测,根据实验上所得的具有反应活性的团簇,结合现代量子化学理论模拟,得到金属催化反应的基元步骤以及微观反应机理信息,所得反应机理信息为宏观催化剂的设计提供重要理论研究基础.本综述总结了团簇实验上已经探测到的金属单原子离子、金属团簇、金属氧化物团簇和金属化合物催化的气相反应.反应物分子囊括了大量的无机和有机分子,包括CO,H_2,CH_4,C_2H_2,C_2H_4,C_6H_6,CH_3OH,HCOOH,CH_3COOH等.本综述主要介绍了以下三类催化反应:(1)CO催化氧化;(2)CH4催化转化;(3)催化脱羧反应,并重点关注贵金属单原子掺杂团簇独特的催化反应性.单原子催化剂可最大限度地利用有限的贵金属.在化学反应方面,单原子催化剂具有特异的反应活性,选择性以及稳定性.本综述对气相团簇反应中报道的两个重要的贵金属单原子掺杂团簇的催化反应进行了详细介绍:(1)金原子掺杂的Au Al_3O_(3-5)~+团簇为首次报道的可以利用分子氧催化氧化CO的团簇单原子催化剂,我们对Au原子起催化作用的本质原因进行了介绍:(2)铂原子掺杂的Pt Al_3O_(5-7)~-团簇能利用分子氧催化氧化CO,该研究提出了"电负性阶梯"效应来解释Pt原子催化的微观机理,且此效应有望对大部分贵金属适用.此外,本综述对CO催化氧化反应和CH_4催化转化反应的研究现状以及尚未解决的问题进行了剖析.相比CO的催化氧化反应,科学家对CH4催化转化反应机理的认识还不够深入,还需要进一步实验研究,而团簇单原子催化剂有望在此领域有所突破.     

高活性Co3O4负载单原子Au催化剂室温催化CO氧化

CO低温氧化是多相催化领域研究最多的反应之一.作为简单、典型的探针反应,其不仅具有重要的基础研究价值,而且在环境污染消除等方面也有着非常重要的实际应用价值.金属氧化物如铜锰(Hopcalite)、铜铬复合氧化物以及氧化钴等都具有优异的低温CO氧化活性.然而氧化物催化剂热稳定性低、反复启动性能差、以及对硫化物、水等物质敏感,严重制约了其实际应用.相对而言,负载型贵金属催化剂因具有较高的CO氧化活性、反应稳定性以及热稳定性而受到关注.但是贵金属价格昂贵、资源稀少,使其持续应用面临严峻挑战.为了提高贵金属利用效率、降低贵金属使用量,在负载型贵金属催化剂中,贵金属多以纳米尺度分散于高比表面载体上.由于多相催化一般在纳米粒子表面发生,只有表面金属原子能够接触到反应物,因而贵金属原子利用率仍然有待提高.最近本课题组成功开发以原子级分散的单原子催化剂并提出“单原子催化”的概念.后续研究以及其他研究人员相继证明氧化物负载贵金属单原子具有高活性和/或不同于纳米粒子的反应性能,表明开发单原子催化剂是最大化贵金属利用效率、降低贵金属用量的可行途径.对于CO氧化而言,目前普遍认为负载Au催化剂具有最高活性.然而负载Au单原子催化剂是否具有活性仍存争议：理论计算表明氧化物负载Au单原子催化剂具有很好的活性,但是缺少实验证据;目前已有一些氧化物负载Au正价离子催化剂的报道,结果也都表明Au单原子活性远低于纳米粒子或纳米团簇.最近本课题组发现氧化铁负载Au单原子不仅具有与Au纳米粒子相当的单位活性位(TOF)活性而且具有更高的单位金属重量(反应速率)活性以及非常高的反应稳定性.本文将载体拓展到氧化钴,开发了具有更高活性的氧化钴负载Au单原子催化剂, Au负载量仅为0.05 wt%即可在室温条件下实现CO完全转化. Co3O4载体用Co(NO3)3与Na2CO3通过共沉淀法制备,400 oC焙烧.然后通过简单的沉淀吸附法制备Co3O4负载Au单原子催化剂(Au1/Co3O4),确保Au单原子能够分散于载体的表面.具有原子分辨率的球差校正高分辨电镜照片显示Au原子确实以单原子形式分散于载体上.催化剂在第一个循环中活性并不非常高,但是在第二个循环中活性提高非常明显,可以在室温条件下实现CO全转化.为了弄清楚活性提高的原因,我们用惰性气体(He)、氧化性气体(5%O2/He)以及还原性气体(5%CO/He)对催化剂进行了热处理,但是活性提高并不明显.由此推断催化剂是在第一个循环反应过程中发生了某些变化,导致活性显著提高.空白载体实验表明Co3O4载体本身虽然具有反应活性,但是远不如负载少量Au原子活性高,表明Au原子或Au原子与载体一起起到高活性的作用.稳定性研究表明该催化剂在室温条件下容易失活,但经惰性气体或氧化气体处理后活性可恢复,表明不是结构性失活而是可逆失活,说明单原子非常稳定.     

ZnO纳米线负载Pd1单原子催化剂催化若干反应性能的考察

将孤立的Pd原子分散到ZnO纳米线(NWs)上作为单原子催化剂(SACs),并考察了它们在若干反应中的催化性能.Pd1/ZnO SAC对甲醇蒸汽重整制氢反应表现出高的活性、稳定性和CO2选择性.该催化剂体系对CO和H2的氧化也具有高活性,但在富氢物料中CO优先氧化反应中的催化剂性能较差,这主要是由于在ZnO负载的Pd1原子上H2氧化的强竞争反应所致.常压下在Pd1/ZnO SAC上就可发生逆水汽变换反应.该系列催化反应测试结果清楚地表明,选择合适金属与载体对开发分子催化转化用单原子催化剂至关重要.     

高活性Co_3O_4负载单原子Au催化剂室温催化CO氧化（英文）

CO低温氧化是多相催化领域研究最多的反应之一.作为简单、典型的探针反应,其不仅具有重要的基础研究价值,而且在环境污染消除等方面也有着非常重要的实际应用价值.金属氧化物如铜锰(Hopcalite)、铜铬复合氧化物以及氧化钴等都具有优异的低温CO氧化活性.然而氧化物催化剂热稳定性低、反复启动性能差、以及对硫化物、水等物质敏感,严重制约了其实际应用.相对而言,负载型贵金属催化剂因具有较高的CO氧化活性、反应稳定性以及热稳定性而受到关注.但是贵金属价格昂贵、资源稀少,使其持续应用面临严峻挑战.为了提高贵金属利用效率、降低贵金属使用量,在负载型贵金属催化剂中,贵金属多以纳米尺度分散于高比表面载体上.由于多相催化一般在纳米粒子表面发生,只有表面金属原子能够接触到反应物,因而贵金属原子利用率仍然有待提高.最近本课题组成功开发以原子级分散的单原子催化剂并提出"单原子催化"的概念.后续研究以及其他研究人员相继证明氧化物负载贵金属单原子具有高活性和/或不同于纳米粒子的反应性能,表明开发单原子催化剂是最大化贵金属利用效率、降低贵金属用量的可行途径.对于CO氧化而言,目前普遍认为负载Au催化剂具有最高活性.然而负载Au单原子催化剂是否具有活性仍存争议:理论计算表明氧化物负载Au单原子催化剂具有很好的活性,但是缺少实验证据;目前已有一些氧化物负载Au正价离子催化剂的报道,结果也都表明Au单原子活性远低于纳米粒子或纳米团簇.最近本课题组发现氧化铁负载Au单原子不仅具有与Au纳米粒子相当的单位活性位(TOF)活性而且具有更高的单位金属重量(反应速率)活性以及非常高的反应稳定性.本文将载体拓展到氧化钴,开发了具有更高活性的氧化钴负载Au单原子催化剂,Au负载量仅为0.05 wt%即可在室温条件下实现CO完全转化.Co3O4载体用Co(NO3)3与Na2CO3通过共沉淀法制备,400 oC焙烧.然后通过简单的沉淀吸附法制备Co3O4负载Au单原子催化剂(Au1/Co3O4),确保Au单原子能够分散于载体的表面.具有原子分辨率的球差校正高分辨电镜照片显示Au原子确实以单原子形式分散于载体上.催化剂在第一个循环中活性并不非常高,但是在第二个循环中活性提高非常明显,可以在室温条件下实现CO全转化.为了弄清楚活性提高的原因,我们用惰性气体(He)、氧化性气体(5%O2/He)以及还原性气体(5%CO/He)对催化剂进行了热处理,但是活性提高并不明显.由此推断催化剂是在第一个循环反应过程中发生了某些变化,导致活性显著提高.空白载体实验表明Co3O4载体本身虽然具有反应活性,但是远不如负载少量Au原子活性高,表明Au原子或Au原子与载体一起起到高活性的作用.稳定性研究表明该催化剂在室温条件下容易失活,但经惰性气体或氧化气体处理后活性可恢复,表明不是结构性失活而是可逆失活,说明单原子非常稳定.     

ZnO纳米线负载Pd_1单原子催化剂催化若干反应性能的考察（英文）

将孤立的Pd原子分散到ZnO纳米线(NWs)上作为单原子催化剂(SACs),并考察了它们在若干反应中的催化性能.Pd_1/Zn O SAC对甲醇蒸汽重整制氢反应表现出高的活性、稳定性和CO_2选择性.该催化剂体系对CO和H_2的氧化也具有高活性,但在富氢物料中CO优先氧化反应中的催化剂性能较差,这主要是由于在Zn O负载的Pd_1原子上H_2氧化的强竞争反应所致.常压下在Pd_1/ZnO SAC上就可发生逆水汽变换反应.该系列催化反应测试结果清楚地表明,选择合适金属与载体对开发分子催化转化用单原子催化剂至关重要.     

单原子催化剂在光催化和电催化合成过氧化氢中的研究进展（英文）

2011年张涛院士等首次提出单原子催化剂(SACs)的概念,随后SACs迅速成为催化领域的一个研究热点.由于催化活性位点的原子级分散和载体的固定作用, SACs兼具了均相催化剂(单活性中心和高选择性)和多相催化剂(结构稳定和易回收重复使用)的优点.此外, SACs上原子级分散的金属活性位点更容易通过鲍林模式来吸附氧分子,有效提高了双电子氧还原反应的选择性,并且能够在相同的金属负载量下提供更多的活性位点,降低了应用成本.这些特点使得SACs在光催化和电催化产过氧化氢领域展现出较大优势,但同时SACs过高的表面自由能也使得其金属负载量较低且稳定性差,这些问题还需通过进一步研究进行改善.本综述简要介绍了光催化和电催化产过氧化氢的基本原理,详述了SACs在该领域中的独特优势.概述了密度泛函理论(DFT)计算在SACs产过氧化氢研究中发挥的重要作用, DFT计算不仅能够高效方便地筛选出具有应用潜力的金属单原子,从而有效减少实验工作量,而且能揭示催化过程中的潜在活性位点,并结合原位表征为SACs产过氧化氢催化机理解释提供有力证据,这对合成高性能的SACs具有重要的指导意义.总结了近期基于贵金属(P...     

抗烧结的超稳定型单原子催化剂研究进展

传统的负载型金属催化剂在高温环境下或长时间工作后易发生烧结。这种不可逆的过程会导致催化剂活性位点的显著减少,使得催化剂严重失活。因此往往需要将催化剂及时更新才能满足工业生产需求,然而这会极大增加生产成本。与传统的负载型金属催化剂不同,单原子催化剂(Single-atom catalysts,SACs)的中心金属原子可以与杂原子(N、O、S等)形成强键合作用,从而有效抑制金属烧结。基于单原子催化剂的这种特性,我们可以制备抗烧结、耐高温的超稳定型单原子催化剂来应对特殊的工业催化环境。本文总结了近年来抗烧结的超稳定型单原子催化剂的合成与应用进展,为单原子催化领域的研究提供参考。     

Single-atom catalysis for organic reactions

Metal-based catalysis, including homogeneous and heterogeneous catalysis, plays a significant role in the modern chemical industry. Heterogeneous catalysis is widely used due to the high efficiency, easy catalyst separation and recycling. However, the metal-utilization efficiency for conventional heterogeneous catalysts needs further improvement compared to homogeneous catalyst. To tackle this, the pursing of heterogenizing homogeneous catalysts has always been attractive but challenging. As a recently emerging class of catalytic material, single-atom catalysts (SACs) are expected to bridge homogeneous and heterogeneous catalytic process in organic reactions and have arguably become the most active new frontier in catalysis field. In this review, a brief introduction and development history of single-atom catalysis and SACs involved organic reactions are documented. In addition, recent advances in SACs and their practical applications in organic reactions such as oxidation, reduction, addition, coupling reaction, and other organic reactions are thoroughly reviewed. To understand structure-property relationships of single-atom catalysis in organic reactions, active sites or coordination structure, metal atom-utilization efficiency (e.g., turnover frequency, TOF calculated based on active metal) and catalytic performance (e.g., conversion and selectivity) of SACs are comprehensively summarized. Furthermore, the application limitations, development trends, future challenges and perspective of SAC for organic reaction are discussed.     

Advanced TEM Characterization for Single-atom Catalysts: from Ex-situ Towards In-situ

Clean energy innovation has triggered the development of single-atom catalysts(SACs) due to their excellent catalytic activity, high tunability and low cost. The success of SACs for many catalytic reactions has opened a new field, where the fundamentals of catalytic property-structure relationship at atomic level await exploration, and thus raises challenges for structural characterization. Among the characterization techniques for SACs, aberration-corrected transmission electron microscopy(TEM) has become an essential tool for direct visualization of single atoms. In this review, we briefly summarize recent studies on SACs using advanced TEM. We first introduce TEM methods, which are particularly important for SACs characterization, and then discuss the applications of advanced TEM for SAC characterization, where not only atomic dispersion of single atoms can be studied, but also the distribution of elements and the valence state with local coordination can be resolved. We further extend our review towards in-situ TEM, which has increasing importance for the fundamental understanding of catalytic mechanism. Perspectives of TEM for SACs are finally discussed.     

Recent Advances of Single-atom Catalysts for Electro-catalysis

Single-atom catalysis is the “hot spot” in the field of catalysis due to the special geometries, electronic states, and their unique catalytic performance. Single-atom catalysts(SACs), isolated metal atoms dispersed on the support, show the highest atom efficiency, cutting down the potential cost in the industrial process. Consequently, this “homo-hetero” catalyst could be a promising candidate for the next-generation catalysts. The applications for the SACs are widely reported, like gas-solid reactions, organic reactions, and electro-catalysis. In this mini- review, we will focus on the recent work of SACs on electro-catalysis, including hydrogen evolution reaction(HER), oxygen reduction reaction(ORR), oxygen evolution reaction(OER), CO₂ reduction reaction(CO₂ RR), and nitrogen reduction reaction(NRR).     

二氧化钛负载单原子催化剂用于光催化反应的研究

Titania (TiO₂) has been among the most widely investigated and used metal oxides over the past years, as it has various functional applications. Extensive research into TiO₂ and industrial interest in this material have been triggered by its high abundance, excellent corrosion resistance, and low cost. To improve the activity of TiO₂ in heterogeneous catalytic reactions, noble metals are used to accelerate the reactions. However, in the case of nanoparticles supported on TiO₂, the active sites are usually limited to the peripheral sites of the noble metal particles or at the interface between the particle and the support. Thus, highly dispersed single metal atoms are desired for the effective utilization of precious noble metals. The study of oxide-supported isolated atoms, the so-called single-atom catalysts (SACs), was pioneered by Zhang's group. The high dispersion of precious noble metals results helps reduce the cost associated with catalyst preparation. Because of the presence of active centers as single atoms, the deactivation of metal atoms during the reaction, e.g., by coking for large agglomerates, is retarded. The unique coordination environment of the noble metal center provides special sites for the reaction, consequently increasing the selectivity of the reaction, including the enantioselectivity and stereoselectivity. Hence, supported SACs can bridge homogenous and heterogeneous reactions in solution as they provide selective reaction sites and are recyclable. Moreover, owing to the high site homogeneity of the isolated metal atoms, SACs are ideal models for establishing the structure-activity relationships. The present review provides an overview of recent works on the synthesis, characterization, and photocatalytic applications of SACs (Pt₁, Pd₁, Ir₁, Rh₁, Cu₁, Ru₁) supported on TiO₂. The preparation of single atoms on TiO₂ includes the creation of surface defective sites, surface modification, stabilization by high-temperature shockwave treatment, and metal-ligand self-assembly. Conventional characterization methods are categorized as microscopic imaging and spectroscopic methods, such as aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM), scanning tunneling microscopy (STM), extended X-ray absorption fine structure analysis (EXAFS), and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS). We attempted to address the critical factors that lead to the stabilization of single-metal atoms on TiO₂, and elucidate the mechanism underlying the photocatalytic hydrogen evolution and CO₂ reduction. Although many fascinating applications of TiO₂-supported SACs in photocatalysis could only be addressed superficially and in a referencing manner, we hope to provide interested readers with guidelines based on the wide literature, and more specifically, to provide a comprehensive overview of TiO₂-supported SACs.     

TiO2-supported Single-atom Catalysts: Synthesis,Structure, and Application

In recent years, single-atom catalysts(SACs) have attracted increasing attention in catalysis. However, their stability is considerably challenging. As a result, fine-tuning the interaction of metal single atoms(SA) with different types of supports has emerged as an effective strategy for improving their thermal and chemical stabilities. Owing to its non-toxicity, cost-effectiveness, high abundance, and excellent stability, as well as presence of rich, tunable, and reliable anchor sites for metal SA, TiO₂ has been extensively explored as a superior support for SACs. In this review, recent advances of TiO₂-supported SACs(M₁/TiO₂) are discussed, and synthetic strategies, structure elucidation, and catalytic applications are summarized. First, the recently developed synthetic strategies for M₁/TiO₂arehighlighted and summarized, identifying the major challenges for the precise fabrication of M₁/TiO₂. Subsequently, key characterization techniques for the structure identification of M₁/TiO₂are discussed. Next, catalytic applications of M₁/TiO₂ are highlighted, viz. photocatalysis, electrocatalysis, and thermocatalysis. In addition, the mechanism via geometric structures and electronic states of metal centers facilitate catalytic reactions is outlined. Finally, opportunities and challenges of M₁/TiO₂ in catalysis are discussed, which may inspire the future development of M₁/TiO₂ for multifunctional catalytic applications.     

自支撑单原子膜电极在能源电催化中的应用

单原子催化剂的催化活性高, 稳定性强, 原子利用率高, 在能源电催化领域已被广泛研究. 然而, 粉末状(颗粒状)单原子催化材料存在工作电极制备过程复杂、 黏结剂添加降低导电性且占据催化材料的体积、 活性位点易被包埋等问题, 在作为电极材料催化能源转化过程时, 载量通常小于1 mg/cm², 反应电流密度不高于100 mA/cm². 与单原子催化剂相比, 自支撑单原子膜电极不仅具有单原子催化剂的诸多优势, 同时展现出整体式电极的特点, 例如无需添加黏结剂、 导电性好、 单原子活性位点暴露率高、 形貌与孔结构可调控等, 在大电流电催化反应、 高能量高功率密度电池等领域拥有应用前景. 本文综合评述了面向能源电催化应用的自支撑单原子膜电极的研究进展, 讨论了自支撑单原子膜电极的优势, 总结了自支撑单原子膜电极的合成方法, 包括自支撑基底上原位制备法、 静电纺丝法、 自组装法、 化学气相沉积与固相扩散法等, 介绍了其在析氢反应、 析氧反应、 电化学制过氧化氢反应、 锌空电池、 二氧化碳还原反应及锂硫电池中的应用, 并对该类电极的发展方向进行了展望.     

Single-atom site catalysts supported on two-dimensional materials for energy applications

Single-atom site catalysts (SACs) and two-dimensional materials (2DM) have gradually become two hot topics in catalysis over the past decades. Their combination with each other can further endow the derived SACs with extraordinary properties such as high loading, identical active sites, uniform coordination environment, distinctive metal-support interaction, and enhanced catalytic activities. In this review, we highlight the recent development in this specific research topic according to the types of substrates and focus on their applications in energy conversion field. Additionally, we also make a brief introduction to the synthesis and characterization methods for SACs supported on 2DM (SACs/2DM). Finally, the challenges and perspectives are summarized based on the current development status. It is believed that this work will make contributions to the rational design and fabrication of novel SACs/2DM, promoting their practical energy applications in the future.     

Stability and regeneration of metal catalytic sites with different sizes in Fenton-like system

Metal-based catalysts with different site sizes (e.g., metal nanoparticles (NPs) and single atom catalysts (SACs)) demonstrated outstanding catalytic activities in versatile Fenton-like reactions. However, the surface/structural instability is a critical issue, which will result in rapid passivation in Fenton-like reaction and fail in long-term operation. The catalytic stability of the catalysts with different metal sizes considering versatile peroxides (H₂O₂, peroxymonosulfate (PMS), and peroxodisulfate (PDS)) should be analyzed. In addition, strategies for catalyst regeneration and recyclability improvement are also important to realize the metal-based catalysts for practical applications. In this review, catalytic stability of catalysts with different metal sizes in the backgrounds of versatile peroxides and water matrixes in Fenton-like reactions were first evaluated. Regeneration of metal catalytic sites with different methods were also reviewed. Finally, major challenges and development of methods concerning the stability and regeneration of metal catalytic sites with different sizes were discussed to understand the future researches of metal catalytic sites in Fenton-like reactions.     

单原子催化剂电子结构调控实现高效多相催化

过去十年见证了单原子催化领域的快速发展,其最高的原子利用效率和充分暴露的活性位点使得单原子催化剂对众多反应的催化活性具有显著提升。在单原子催化领域的早期发展阶段,研究者只是关注单原子催化剂催化活性与催化选择性的提高,而其内在的反应机理以及活性位点同催化性能之间的构效关系往往被忽视。关于单原子催化剂中金属-基底相互作用的深入探讨能够帮助我们理解催化机理,并进一步指导多相催化剂的理性设计。值得注意的是,由于单原子催化剂均一的活性位点及其几何构型,我们可以通过理论计算以及一些原位的表征技术,来揭示其中的金属-基底相互作用,继而进一步促进单原子催化领域的发展以及多相催化剂的理性设计。这篇综述总结了金属-基底相互作用的基本概念,其作用,以及其在一些重要多相催化中的应用,最后提出了金属-基底相互作用在单原子催化领域所面临的挑战与机遇。     

单原子催化甲烷直接转化的研究进展

将甲烷直接转化(DMC)为高附加值化学品(如甲醇等化合物),是实现天然气高效利用的有效途径.因甲烷结构非常稳定,使其在温和条件下(反应温度≤150℃的非强酸介质体系)的高效活化极具挑战性.近年来,单原子催化剂(SACs)因其活性物种的高利用率和高选择性,已引起国内外研究者的广泛关注,并被尝试应用于多种反应.研究表明, SACs在DMC反应中表现出独特的催化性能.本综述中,我们总结了在温和条件下, SACs在DMC反应中的研究进展,重点针对热催化反应过程的催化剂设计和反应路径研究进行了归纳和分析.此外,还对光催化反应过程中涉及的SACs上的DMC反应进行了分析.最后,对温和条件下实现DMC进行了总结和展望.