Chem. Soc. Rev.：从“配位环境”到“中间体相互作用模式”，重新理解单原子催化剂的 CO2 电转化- 大数跨境

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Chem. Soc. Rev.：从“配位环境”到“中间体相互作用模式”，重新理解单原子催化剂的 CO2 电转化

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2026-03-27

导读：Chem. Soc. Rev.：从“配位环境”到“中间体相互作用模式”，重新理解单原子催化剂的 CO2 电转化

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文章信息

Deciphering the interaction patterns of intermediates on single atom catalysts during electrocatalytic CO2 conversion reactions

作者：Dongfang Li, Xiaobo Zheng, Yufei Zhao*, Jinqiang Zhang*, Guoxiu Wang*

通讯作者：赵玉飞*，张晋强*，汪国秀*

单位：悉尼科技大学清洁能源技术中心

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研究背景

电催化CO2转化被认为是兼顾减碳与制备高附加值化学品的重要路径，有望将CO2由“排放物”转变为“碳资源”。在这一过程中，催化剂不仅决定CO2能否被有效活化，也决定反应会走向CO、甲酸、甲烷、多碳产物甚至尿素等不同产物通道。

单原子催化剂之所以受到广泛关注，核心原因在于其金属位点高度分散、金属利用率最大化，同时配位结构相对清晰，便于建立结构—性能关系。综述指出，SACs上的CO2电转化并不是仅由中心金属原子单独决定，而是由中心金属与其周围配位环境共同调控。换句话说，真正决定反应路径的，不只是“是什么金属”，还包括“它被谁配位、附近有什么、远处界面如何被调控”。

这篇综述的重要意义就在于，它不再停留于“某种SAC对某种产物更有利”的经验性总结，而是尝试建立一个更统一的理解框架：把多尺度配位环境、活性位点本质以及关键中间体的结合模式串联起来，解释为什么同样是单原子位点，却会走出完全不同的反应路径。该定位是根据文章题目与摘要内容归纳得到的。

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文章简介

近日，来自悉尼科技大学清洁能源技术中心（CCET）的汪国秀教授，张晋强博士和赵玉飞博士，在国际知名期刊Chemical Society Reviews上发表题为“Deciphering the interaction patterns of intermediates on single atom catalysts during electrocatalytic CO2 conversion reactions”的综述文章。

该综述围绕单原子催化剂中中心金属位点周围的“层级化配位环境”展开系统分析。文章首先讨论第一配位层中的单元素与双元素配位结构；随后延伸到第二配位层中邻近非金属或金属物种带来的调控作用；进一步还讨论了超越第二配位层的工程化策略，例如功能基团接枝以及更远程的基底功能化。作者认为，这些不同尺度的结构因素会共同塑造活性位点的电子结构与反应微环境，从而决定中间体如何吸附、如何转化以及最终生成什么产物。

更进一步，文章并没有仅仅从“结构分类”角度展开，而是把关注点推进到“中间体究竟如何与活性位点发生相互作用”。摘要显示，作者系统归纳了多种中间体结合行为，并将其概括为四类：single-site、step-by-step、simultaneous和cross-substrate intermediate binding modes。这一分类使得不同产物路径可以被放到同一个分析坐标系下理解，也让“活性位点为什么有效”这个问题变得更具体。

值得注意的是，文章特别强调：单原子催化剂并不天然局限于C1产物。通过理性构建多位点相互作用网络，SACs同样可以支撑更复杂的偶联反应，进而生成C2+产物、尿素等关键化学品。这一点对于过去常把SACs视为“偏向简单分子产物”的传统认知，是一个很有代表性的推进。

图1. 将配位调控、吸附位点特性和中间相互作用模式与SAC实现的CO2转化反应(CO2CR)中的产物分布联系起来的概念框架。

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本文要点

要点一：提出“层级化配位环境”分析框架

文章并非只讨论第一配位层，而是把调控因素扩展到第二配位层及更远程的结构单元，构建出一个从局域配位到界面微环境的多尺度分析体系。这样的框架有助于解释为什么一些看似“中心原子相同”的SACs，会表现出明显不同的催化行为。

要点二：强调活性位点不是孤立金属原子的简单等同物

该综述指出，CO2电转化活性位点的本质，需要结合中心金属和周围配位环境共同理解。也就是说，真正参与催化的“位点”往往是一个由中心原子、邻近配位原子、周边功能基团乃至基底共同构成的反应单元，而不是狭义的单个金属原子。

要点三：建立“中间体结合模式”这一核心概念

综述明确指出，经过设计的中间体相互作用能够调节反应动力学、抑制竞争路径，并引导产物选择性。这意味着，未来SAC设计不应只停留在“调d带中心”或“改配位数”这类结构描述上，而应进一步围绕关键中间体的稳定方式、转化顺序和耦合机会展开。

文章将中间体结合行为系统归纳为单位点结合、逐步结合、同时结合和跨底物结合四类模式。这个分类的价值在于，它把结构调控和反应机理直接联通起来：不同结合模式对应不同的动力学优势、竞争反应抑制能力以及产物导向能力。

要点四：前瞻

该综述指出，单原子催化剂在CO2电转化领域的发展重点，已经不再只是“寻找更活泼的金属中心”，而是进一步走向对多尺度配位环境、真实活性位点以及关键中间体相互作用的协同调控。精准塑造中间体的吸附、转化与偶联过程，从而实现对反应动力学、竞争路径抑制和产物选择性的定向控制。特别值得关注的是，SACs的潜力并不局限于C1产物，未来通过构建合理的多位点相互作用网络，有望进一步推动C2+产物、尿素等复杂分子的高效电合成，为下一代CO2电转化催化剂设计提供更清晰的方向。

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文章链接

Deciphering the interaction patterns of intermediates on single atom catalysts during electrocatalytic CO2 conversion reactions

https://doi.org/10.1039/D5CS00621J

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通讯作者简介

赵玉飞（Yufei Zhao），赵玉飞博士于2017年和2018年分别获得北京理工大学和澳大利亚悉尼科技大学双博士学位。目前在悉尼科技大学从事科研工作。主要研究方向为原子分散催化剂、合金催化剂及高熵功能材料的研发和应用，包括电催化水分解，电催化氧还原，电催化二氧化碳还原以及光催化等领域的应用。先后以第一作者身份在Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Material等学术期刊发表多篇论文。总引用超过8800次，H-index 43.

张晋强（Jinqiang Zhang），张晋强博士2018年获得澳大利亚悉尼科技大学博士学位。目前为悉尼科技大学清洁能源技术研究中心DECRA研究员。主要研究方向为清洁能源材料研发及机理研究，包括锂有机氧化还原介质，单原子催化剂，有机高分子聚合物材料等在锂空气电池，锂硫电池，电催化水分解等领域的应用。先后以第一作者和通讯作者身份在Nature Catalysis, Nature Communications, Science Advances, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials等学术期刊发表多篇论文。总引用超过14000次，H-index 61.

汪国秀（Guoxiu Wang），澳大利亚悉尼科技大学（UTS）杰出教授，清洁能源技术中心主任。入选澳大利亚科学院和工程院两院院士、澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Industry Laureate Fellow）、英国皇家化学会会士（2017）、国际电化学学会会士（2018），欧洲科学院院士(2020), 2018-2025连续8年入选科睿唯安材料领域“全球高被引科学家”。汪教授致力于材料化学、电化学、储能与转换、电池技术等方面的研究，发表论文超过800篇，总引用次数超过10.3万余次，H指数174。

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第一作者简介

李东方（Dongfang Li），悉尼科技大学（University of Technology Sydney, UTS）理学院数理科学学院清洁能源技术中心化学博士。其研究主要聚焦电催化能源转化与先进功能材料，重点关注MOF及单原子催化、CO2电转化及相关反应机理研究。围绕上述方向，李东方已参与多篇综述与研究论文发表，相关成果见于Chemical Society Reviews、Advanced Materials、Nature Communications 等期刊。