由于不饱和配位环境、量子尺寸效应和金属-载体相互作用，单原子或双原子金属如Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Sn、Ir、Pt、Au、Bi和Er与非金属元素配位（O、N、P、S等）而表现出不同的几何构型及电子结构，使得它们在许多氧化还原反应中呈现出了很高的催化性能，在有机合成、环境治理、能源转换、生物医学等方面拥有广阔的应用前景。尽管目前单原子催化剂（SACs）已被广泛的研究，然而活性中心构型的多样性常常会给催化剂表征、反应机理研究及理论模拟带来困难，因此SACs在特定反应中的构效关系研究成为科研工作者一直关注的研究焦点。

本文从SACs的制备方法、表征手段、催化性能分析、活性中心确定、应用潜力评估等方面介绍，总结了不同领域中SACs的突出成果，强调了结构与性能的关系以及催化机理。

本文综述了近年来SACs在有机合成、环境治理、能源转换、生物医学中应用的最新研究进展，重点介绍了SACs在不同应用中的催化性能研究和单原子活性位点的确定以及SACs的结构-性能关系。

（1）有机合成

作为生产化工原料重要途径，加氢反应、氧化反应、偶合反应等有机合成反应在实际工业应用中由于缓慢的反应速率而受到了极大的限制。合适催化剂的设计可以在很大程度上帮助实现快速的有机转换。单位点催化的有机合成反应目前已经吸引了研究者的目光，其转换率和选择性通常被用来评估催化反应活性。据大量文献报道，不同过渡金属基SACs在有机合成中的催化潜力及机理已被深入探究。例如，Zhang等人研究了Co-SAC催化一级醇和二级醇的偶合反应机理（图1）：双氧分子吸附、β-C–H解离、羟醛缩合。

图1 (a, b) Dehydrogenative and aerobic oxidative coupling of primary and secondary alcohols. (c) Proposed reaction mechanism of oxidative coupling of primary and secondary alcohols over Co-N-C.

（2）环境治理

CO₂、NO等污染气体和重金属、染料、农药等有害物的排放已经对大气环境和人类健康构成了巨大威胁，甚至会给整个地球的生态系统造成严重影响。为了有效缓解环境污染问题，物理/化学吸附、光催化、电催化等方法通常被用于降解污染源。如图2所示，SACs电催化CO₂还原为CH₄不仅可以帮助缓解温室效应，还可以产生重要的燃料/化工产物。

图2 (a, b) The first derivatives of XANES region and the FT-EXAFS spectra of Cu-K edge for Cu₂O, CuO, Cu-N-C-800 and Cu-N-C-900 samples. (c) EXAFS R-space and corresponding fitting curves of Cu-N-C-900. Inset: illustration for the Cu-N₂ and Cu-N₄ coordination structures. Gray, blue, yellow and orange spheres represent C, N, Cu(I) and Cu(II) elements, respectively. (d) Polarization curves for MNC, Zn powder, and SA-Zn/MNC. (e) Faradaic efficiencies of CH₄ at different applied potentials. (f, g) Yield rates and Tafel plots for electrochemical CO₂ reduction to CH₄. (h) Stability of SA-Zn/MNC for electrochemical CO₂ reduction at −1.8 V vs. SCE. (i) Free energy diagrams for electrochemical CO₂ reduction to CH₄ on Zn-N₄-graphene. (j) The most stable structure of each step. The red and pink balls represent O and H atoms, respectively.

（3）能源转换

电解水、燃料电池/金属-空气电池等能源转换器件目前已经受到了广泛关注。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其设计简单，环境友好，高能量密度和转换效率等已被视为非常有前途的电化学能量转换技术，可以直接将化学能转化为电能。在典型的PEM燃料电池（PEMFC）中，氧还原反应（ORR）作为阴极反应涉及到了多电子转移过程，其缓慢的动力学将会显著降低整个反应速率。因此，开发高效率的酸性ORR电催化剂迫在眉睫。此外，水电解槽在能量转换和储存中也起着至关重要的作用，其中析氧反应（OER）由于其缓慢的反应动力学极大地限制了整个水分解过程。然而，绝大多数OER电催化剂仅限制于碱性电解质。在酸性条件下，许多金属基催化剂的高过电位和低耐久性并不能满足PEM电解槽的实际应用。目前，高性能的酸性OER电催化剂的研究已经取得了很大进展。作为肥料的重要原料，氨（NH₃）对于维持地球生命起着至关重要的作用。最近几年来，电化学氮还原反应（NRR）已经引起了人们的广泛关注。NH₃产率和法拉第效率低的问题迫使我们必须寻求一些高效稳定的电催化剂来加速NRR。在已报道的电催化剂中，SACs由于最大化原子利用率和不饱和配位构型的优势在能源催化方面拥有着光明的应用前景。在原子尺度上，通常考虑碳基材料作为载体来固定孤立金属原子来提高SACs的电催化效率和稳定性（图3为SACs电催化NRR的应用）。

图3 (a-c) HR-TEM image, AFM image and corresponding line profiles, and HAADF-STEM image of Fe-SnO₂. (d) LSV curves of NC-Cu SA in 0.1 M KOH. (e-g) NH₃ yield rate and Faradaic efficiency at different potentials, 1H NMR spectra of the electrode after 12 h of electrochemical reduction using ¹⁵N₂ as the feed gas, and NH₃ yield rates with increasing cycle numbers in 0.1 M KOH for NC-Cu SA. (h, i) NH₃ yield rate and Faradaic efficiency at different potentials, and NH₃ yield rates with increasing cycle numbers in 0.1 M HCl.

（4）生物医学

癌症死亡率高、治疗难度大等问题正激励着科学家们投入巨大努力，提高临床癌症治疗的安全性和效率一直是人们的研究热点。许多具有酶模拟活性的SACs目前被认为有效的仿生催化剂，可以有效防止肿瘤细胞的损伤甚至死亡，在癌症治疗中发挥了极其重要的作用。在酶模拟反应中，SACs可以催化O₂/H₂O₂/H₂O来产生活性氧中间物（包括超氧化物离子O₂⁻、氧分子¹O₂、羟基自由基‧OH等），进一步导致癌细胞凋亡或坏死（图4）。此外，通过电信号响应来决定分析物浓度/催化剂活性的生物传感技术具有简单、灵敏、特异性的特点，在食品检测、药物分析等诸多领域中具有广阔的应用前景。对于比色/电化学/荧光生物传感器，SACs已被广泛地应用于医学领域来定量测定多种分析物。

图4 (a, b) XANES spectra and Fourier transform at Cu K-edge for Cu-HNCS and reference sample. (c) EXAFS fitting result of Cu-HNCS in R space. (d, e) Wavelet transform of Cu-HNCS and Cu foil, respectively. (f) EXAFS fitting result of Cu-HNCS at k space. (g) Schematics of intratumoral administrations and formation of an injectable Cu-HNCS hydrogel. (h-k) Body-weight, tumor proliferation, relative tumor inhibition rates, and survival curves of mice treated with blank hydrogels and Cu-HNCS hydrogels.

第一作者：张巧巧，吉林大学理学硕士。2018-2021年，师从管景奇副教授从事电催化方面的工作。主要研究集中于氮掺杂石墨烯修饰的单原子及复合金属氧化物在氢/氧电极反应中的应用。2019-2021年，参加了第十二届、第十三届吉林大学博士生学术论坛（墙报）和湖南省第十三届“高性能材料设计与制备”研究生创新论坛。迄今为止，已连续两年获得一等研究生优秀奖学金和优秀研究生荣誉称号及2020年研究生国家奖学金、化学学院2020年度十佳研究生、2020-2021学年“CASC奖学金”。硕士期间以第一作者身份在Adv. Funct. Mater.， J. Mater. Chem. A， Nano Res.等期刊发表SCI论文14篇，其中中科院一区SCI论文7篇。

通讯作者：管景奇，吉林大学化学学院副教授、博士生导师，从事纳米簇-单原子材料合成及能源转化与储存研究。2012-2013年和2014-2018年分别在加州大学伯克利分校和大连化学物理研究所从事博士后研究。曾获得吉林大学唐敖庆青年人才奖励基金。迄今为止共发表SCI论文150余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Nat. Catal.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Sci.，ACS Catal.，Appl. Catal. B，J. Catal.，Coord. Chem. Rev.等期刊上共发表相关SCI论文120余篇和2个学术专著章节。

课题组链接：https://teachers.jlu.edu.cn/Guan_Jingqi/zh_CN/index.htm

Qiaoqiao Zhang and Jingqi Guan^*. Applications of single-atom catalysts. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3479-8.