高性能電催化劑是多種清潔能源相關(guān)裝置的核心部件，對(duì)解決全球性能源環(huán)境問(wèn)題，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的能量循環(huán)體系至關(guān)重要。單原子催化劑因其具有最大化的原子利用效率和極高的催化性能，近年來(lái)在電催化領(lǐng)域備受關(guān)注。雖然此類電催化劑的活性多源自于載體上孤立的金屬原子對(duì)反應(yīng)中間體的吸附，但活性位點(diǎn)并不能簡(jiǎn)單地視為單個(gè)原子。對(duì)于特定的金屬單原子，其催化活性與周圍毗鄰的配位原子環(huán)境息息相關(guān)。由于金屬尺寸縮小至原子級(jí)，其電子結(jié)構(gòu)受周圍環(huán)境的影響達(dá)到了最大化，這使得通過(guò)配位環(huán)境精確調(diào)控金屬單原子的電子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高性能電催化劑的理性設(shè)計(jì)成為可能。石墨烯等納米材料具有獨(dú)特的二維有序結(jié)構(gòu)、較高的比表面積以及可調(diào)變的物理化學(xué)特性，有助于實(shí)現(xiàn)單原子位點(diǎn)在其表面的密集分散和電子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，因此十分適合作為單原子點(diǎn)催化劑的載體。

近期，天津大學(xué)范曉彬教授課題組就基于二維納米材料的單原子電催化劑如何通過(guò)電子結(jié)構(gòu)調(diào)變實(shí)現(xiàn)催化性能增強(qiáng)方面的主要研究成果進(jìn)行了歸納總結(jié)。作者首先介紹了從石墨烯、氮化碳、金屬有機(jī)框架材料、共價(jià)有機(jī)骨架材料等前驅(qū)體出發(fā)制備單原子電催化劑的主要方法，并分析了不同方法在實(shí)現(xiàn)單原子電催化劑的可控合成及電子結(jié)構(gòu)調(diào)變方面的優(yōu)缺點(diǎn)。其次，作者介紹了如何通過(guò)結(jié)合先進(jìn)表征技術(shù)和理論計(jì)算來(lái)鑒別單原子的配位環(huán)境，并揭示配位環(huán)境變化對(duì)金屬中心電子結(jié)構(gòu)的顯著影響。隨后，作者對(duì)當(dāng)前單原子電催化劑的電子結(jié)構(gòu)調(diào)變方法進(jìn)行了分類總結(jié)，并對(duì)其中的機(jī)理進(jìn)行了討論：即（1）改變單原子的局部配位環(huán)境；（2）調(diào)節(jié)單原子在載體上的相對(duì)位置（負(fù)載在載體的邊緣或基面）；（3）改變單原子周邊的長(zhǎng)程原子環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，作者基于電催化氧還原反應(yīng)（ORR）、析氫反應(yīng)（HER）、析氧反應(yīng)（OER）和二氧化碳還原反應(yīng)（CO₂RR），進(jìn)一步總結(jié)了通過(guò)電子結(jié)構(gòu)調(diào)變引起的催化性能提升機(jī)理。最后，作者對(duì)今后單原子電催化劑研究的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。作者認(rèn)為，原子級(jí)多金屬位點(diǎn)的協(xié)同催化、高精尖的原位分析表征和更精確的理論計(jì)算將會(huì)在單原子催化劑的電子結(jié)構(gòu)調(diào)變及活性增強(qiáng)方面發(fā)揮更加重要的作用。

該文章“Modulating the Electronic Structure of Single-Atom Catalysts on 2D Nanomaterials for Enhanced Electrocatalytic Performance”在線發(fā)表在Small Methods上（https:///10.1002/smtd.201800438）。