陈文星教授，翟华嶂教授， Small综述：硫修饰的碳基单原子催化剂在电催化反应的应用

题目：面向电催化反应的硫修饰碳基单原子催化剂

共同第一作者：李印琪，魏子皓

通讯作者：翟华嶂*，李生华*，陈文星*

通讯单位：北京理工大学

高效和可持续的能源发展是解决能源和环境危机的有力工具。单原子催化剂（SACs)以其极高的原子利用效率和优异的催化活性而备受关注，在能源开发和化工生产中有着广阔的应用前景。M-N₄是一种具有明显催化活性的活性中心模型，但其催化活性、选择性和耐久性等催化性能有待进一步提高。通过杂原子(如硫)调节中心金属的配位环境是一种有效可行的修饰方法。通过引入硫原子作为杂原子可以从单原子可控精准合成和电催化性能提升上同时改善传统对称饱和构型单原子催化剂面临的问题。硫原子蚀刻碳载体后有助于锚定并稳定金属原子，同时改变中心金属原子的配位环境从而改变活性中心电子结构，促进中心金属原子与配位杂原子或基体之间电荷转移。硫原子修饰的碳基单原子催化剂凭借其更优化的电催化性能，更精准可及的合成方法，以及高度灵活可调的配位构型为高性能单原子催化剂的开发提供了全新可行的思路。因此，总结硫元素修饰的碳基单原子催化剂在合成方面的进展和在电催化反应中的应用至关重要。

近日，来自北京理工大学的陈文星副教授与翟华嶂副教授，李生华教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Sulfur Modified Carbon-Based Single-Atom Catalysts for Electrocatalytic Reactions”的综述。该综述文章分析了硫修饰碳基单原子催化剂在以ORR，OER，CO₂RR，NRR为代表的电催化反应的应用以及性能提升机理，并汇总了不同硫原子配位（硫原子是否直接与中心金属原子配位）的催化剂的精确合成方法。

作者根据硫原子位于配位第一壳层和第二壳层（即是否直接与中心金属原子配位）将硫修饰碳基单原子催化剂分为两类，并简要介绍了他们在合成方法、配位环境、反应机制方面的差异，然后对其合成策略进行了详细的介绍，主要包括空间约束法、配位点构建策略、浸渍与化学蚀刻策略、湿化学策略等等。作者还引用典型的案例对每种合成方法的优缺点以及适用环境进行了分析介绍。

作者主要从HER，OER，ORR，CO₂RR和NRR五种主流电催化反应阐述了硫修饰碳基单原子催化剂的应用，并结合反应路径与反应机理讨论了硫原子的掺杂对于关键中间体的吸附脱附，反应路径选择，反应过程中电荷转移的影响，从反应动力学和反应各步骤势垒变化来解释硫原子掺杂提升催化性能的原因。作者结合近年来其在能源领域的应用实例，结合催化效率，产物选择性，反应耐久性等重要催化性能指标比较了硫掺杂碳基单原子催化剂的优势。

最后，作者对于硫修饰的碳基单原子催化剂提出了总结和展望。硫修饰碳基单原子催化剂虽然有其优越的催化性能以及更优化的合成方法，但是仍旧未能完全解决传统配位构型单原子催化剂所面临的金属负载量较低，催化过程中活性中心的降解以及大规模使用时成本较为高昂的问题。作者还提出高性能催化剂对原位技术和高精度表征仪器相结合的需求很大，这将大大促进对催化过程的了解以及对性能提升机制的解读。另外，作者指出硫修饰碳基单原子催化剂在绿色合成、CO₂转化、电催化领域显示出巨大应用前景，为环保合成、高能量转化效率及相关领域带来了新的可能性，推动可持续能源开发，为高性能单原子电催化剂研究提供了思路。

Y. Li, Z. Wei, Z. Sun, H. Zhai, S. Li, W. Chen, Sulfur Modified Carbon-Based Single-Atom Catalysts for Electrocatalytic Reactions. Small 2024, 2401900.

陈文星（Wenxing Chen），北京理工大学长聘副教授，博士生导师，硕士生导师。2011年本科毕业于北京航空航天大学化学学院；2015年博士毕业于中国科学技术大学国家同步辐射实验室，师从国际著名同步辐射X-射线谱学专家、前全国同步辐射专业委员会理事长吴自玉教授；2016年在清华大学化学系进行博士后研究，师从李亚栋院士；2018年受聘于北京理工大学材料学院，并建立课题组，担任独立PI。主要在金属纳米、团簇、单原子催化剂的原子级可控合成、结构表征与催化性能分析方面从事研究工作，并致力于应用X-射线谱学方法从原子分子尺度上对物质的局域结构进行解析，运用基于同步辐射大科学装置平台的原位测试技术对相关反应机理进行探索。相关成果已发表文章250余篇，SCI总引用32000余次，60余篇入选ESI前1%高被引论文，H指数91。

其中以通讯作者/第一作者（含共同）身份，分别在Nat. Catal. (1)，Science Advances (1)，Nat. Commun. (5)，J. Am. Chem. Soc. (6)，Angew. Chem. Int. Ed. (5)，Advanced Material (7)，Energy Environ. Sci. (5)等期刊上发表论文90余篇。连续四年（2020-2023）入选科睿唯安全球高被引科学家榜单。2021年入选Elsevier&Stanford公布的“标准化引文指标全科作者数据库”全球10万全科科学家年度影响力名单。入选2021年英国皇家化学会Top 1%高被引中国作者名单。2021年获《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”提名。申请专利四项，授权两项。担任Nano Research和Energy & Environmental Sustainability期刊编委，以及Nano Research Energy、SmartMat和Rare Metals等期刊青年编委。2023年获评Nano Research Energy学术新星和优秀编委。

作为客座编辑组织Rare Metals的“Single-Atom Catalysis”专刊和EcoEnergy的“碳材料能源转化与存储”专刊。作为课题负责人主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，北京市面上基金项目，企业横向项目，北京理工大学人才引进启动项目和优青培育项目等，担任Angew、Adv. Mater.、Matter、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Research等学术期刊独立审稿人。应邀在ACS Energy Lett.、Small、Aggregate、Chem. Commun.等期刊撰写综述文章9篇。受邀参加三十余次国内外重要学术会议并做邀请报告。主讲北京理工大学《催化原理及应用》等课程。

翟华嶂（Huazhang Zhai），北京理工大学材料学院副教授，硕士生导师。研究方向包括功能介电材料、能源催化纳米材料、环境吸附纳米材料等。作为负责人承担国家自然科学基金面上项目和青年项目，发表SCI学术论文30余篇，其中国际知名学术期刊JMC和JMCA封面文章各一篇，出版教材一部。

李生华（shenghua Li)，北京理工大学长聘教授（博导）、教育部“长江学者”。长期从事含能材料/有机功能材料设计、合成与应用研究。以有机合成化学为出发点，围绕国防和民用的重大需求，开展有机多氮材料、金属有机骨架材料等方面研究。近年来主持国家自然科学基金、装备发展部**重大专项、军委科技委**专项等多个国家项目。以第一作者或通讯作者在Science Advances、Angewandte Chemie、Advanced Science等国际期刊上发表SCI论文30余篇，发明专利10余项。研究成果获教育部自然科学一等奖（排名2）、国防科学技术进步特等奖、国防科技创新团队奖等奖项。并出版了《新型含能材料》教材，该教材被评为教育部教学指导委员会优秀教材。

李印琪：本文共同第一作者，北京理工大学材料学院硕士研究生，师从陈文星教授和翟华嶂教授，研究方向专注于双金属原子催化剂的合成及其在能源领域的应用，利用 X 射线吸收谱学对局域结构进行解析并依托同步辐射大科学装置平台对相关反应机理进行探索

魏子皓：本文共同第一作者，北京理工大学材料学院博士研究生（导师：庞思平教授，李生华教授），研究方向为半导体纳米材料的精细结构调控及其光(电)催化性能研究研究二氧化碳转化的单原子催化剂，利用XANES和EXAFS等技术研究原子结构。