单原子在各种选定的基底材料上对多种重要的反应显示出了卓越的催化能力。当单原子以配位键锚定在基底，就会形成一种强金属-基底相互作用，这种作用可以被用来调控催化活性和选择性。然而，很多单原子材料都是热解碳材料等方法制备的，这样会使得材料中有很多复杂的配位结构，而解析这些结构又是了解进而操纵活性的关键。由此，加州大学圣克鲁兹分校陈少伟教授(通讯作者)在催化领域顶级期刊ACS Catalysis上发表了题为“Electrocatalysis of Single Atom Sites: Impacts of Atomic Coordination”的综述，从原子配位的角度详细总结了最近的单原子电催化剂的研究进展。这些单原子电催化剂包括了常见的贵金属和非贵金属，涵盖了广泛的反应，如ORR，OER，HER，CO2RR，NRR等。在此基础上，作者总结了单原子催化剂的前景和困难，展望和规划了单原子电催化剂的发展方向。

在贵金属方面，作者主要介绍了铂、钌、铱等单原子在氧还原、水分解、氮还原、燃料氧化等方面的应用。

作者指出，各种配位结构的铂单原子在析氢反应均有着良好的性能，它们的共性在于铂原子与较大电负性原子形成了配位键，造成了铂原子处于高价态。此外，有些结构中除了铂原子本身有高活性，铂还对局部的基底结构起到了活化作用。在氧还原方面，铂单原子的活性有着较大程度的争议。在酸性溶液中，很多不同基底的铂单原子配位结构显示出二电子转移和较差的活性，但也有特定的配位结构显示出高效的四电子反应。在燃料氧化方面，单原子铂则表现出高的甲酸氧化能力。在这三方面反应中，后两者铂单原子位点亟待深入的机理和更多的材料制备研究。

对于钌单原子，作者分别讨论了一些结构中显示的非常高的析氢活性，以及另一些结构中优良的氮还原活性。此外钌单原子与层状双金属氢氧化物形成的Ru-O-M (M=Fe,Co) 结构展现出可观的析氧活性。单原子铱则显示出优秀的析氧反应活性的潜力，这一点有希望成为新的研究热点。作者还介绍了其他贵金属单原子催化剂，如金，钯，铑等。

在非贵金属方面，作者主要介绍了铁、钴、镍、铜等单原子在氧还原、水分解、二氧化碳还原等方面的应用。作者重点介绍了非贵金属-氮碳（M-NC）结构的单原子，分别讨论了M-NC配位结构中，配位氮的个数与种类、局域碳结构、M-NC在碳平面所处位置、周围孔缺陷、第二种异质元素（例如硫、磷）配位等因素对材料整体催化活性的影响。作者还特别指出了纳米褶皱微观环境对铁氮碳单原子的电子结构影响，这种新型的拓扑碳结构（例如Stone-Wales 结构）会使得材料的性能得到进一步的提升。

作者还介绍了铬、锰、锌、钼等过渡族金属元素单原子以及近期报道的主族金属元素铝、镁单原子的微观配位结构以及它们在电催化方面的应用。除此之外，相较于单金属原子位点，近期涌现的双金属原子位点表现了更加优良的电催化活性，作者在文中对其配位结构和反应机理也有所讨论。

作者强调，了解、掌握和操纵单原子配位结构（包括几何结构和电子结构）在单原子催化领域有着非常重要的地位，并由此提出了单原子电催化剂的发展路线的雅各布天梯。第一阶段要求成功制备出一个单原子-基底系统，并且显示出在某一反应上有明显的性能；第二阶段要求除了能有明显性能，还要能够清晰地表征单原子的配位结构，并且明确该催化活性产生的机理；第三阶段要求在之前知识的基础上，能够精确控制制备一种特定结构并针对某个反应的单原子催化剂；第四阶段则要求宏量合成特定材料，从而实现单原子催化剂的工业应用。目前，绝大多数工作则处在第一阶段或者第二阶段。作者还指出了在整个过程中，原位运作的表征以及理论工作的研究将会起到越来越重要的作用。

论文的共同第一作者为博士生卢炳章和刘启明。

Bingzhang Lu, Qiming Liu, and Shaowei Chen, Electrocatalysis of Single Atom Sites: Impacts of Atomic Coordination, ACS Catal., 2020, DOI:10.1021/acscatal.0c01950