第一作者：王蓬，史乔福
通讯作者：龙云泽，郑杰，Yusuke Yamauchi
通讯单位：青岛大学物理科学学院、昆士兰大学
论文DOI: 10.1002/adma.202503361
单原子催化剂，凭借其最大化的原子利用率、可调的微配位环境和独特的电子结构，已成为能源转化与存储领域的瞩目焦点。然而，这类催化剂在实际应用中常面临两大挑战：一是过大的表面自由能易导致原子团聚，二是过强的金属-载体化学键则可能引发活性位点钝化。为解决这些问题，具有空间限域的单原子纳米岛（SANIs）催化剂应运而生，其独特的结构设计在电催化领域展现出了卓越的高活性和稳定性。本文全面综述了近年来SANIs催化剂在电催化领域的研究进展，深入剖析了SANIs在提升催化活性、增强稳定性、优化结构设计和提高选择性方面的显著优势。从材料选择、多界面相互作用以及配位结构等关键角度出发，系统总结了SANIs电催化剂的设计原则与策略。此外，本文还详细讨论了SANIs催化剂当前面临的挑战，包括制备工艺复杂性、活性位点调控难度以及长期稳定性评估等，并展望了未来的研究方向。旨在通过持续探索与创新，推动SANIs催化剂在多相催化领域的发展，加速其工业化应用进程，为能源转化与存储技术的革新贡献力量。
(1) 从活性与稳定性、结构和可扩展性全面总结SANIs电催化剂的独特优势。
(2) 根据SANIs结构中单原子、纳米岛和载体三者之间的相互作用特点，提出了设计SANIs电催化剂的准则与策略。
(3) 总结了近年来SANIs电催化剂在HER、OER、ORR、CO2RR等方向的最新研究成果。
(4) 评估了SANIs电催化剂的未来发展趋势和挑战，为SANIs走向工业化应用提供方向性指导。
图1 随着催化剂的发展，活性金属表面自由能、金属-载体相互作用、活性和稳定性的变化。
如图1所示，负载型催化剂的开发过程为块体/微粒–纳米颗粒–亚纳米颗粒–单原子。随着活性金属尺寸的减小，表面自由能和金属–载体相互作用（MSI）增加。虽然可以通过暴露更多的活性位点来提高催化活性，但尺寸的减小会使活性金属原子的配体和结构不稳定，导致热稳定性差。
图2 单原子纳米岛催化剂优势。(a) SANI催化剂和SAC稳定性基本机理的比较。（b）由多界面相互作用主导的兼具高活性与高稳定性的单原子纳米岛催化剂。（c）单原子纳米岛的三种结构。（d）单原子纳米岛结构在不同类型催化反应中的应用。
在SANIs中，纳米岛作为单原子与载体之间的桥梁，不仅为单个金属原子提供了分散的平台，还通过其限域效应有效阻止了金属原子的跨岛移动，从而避免了在高温还原气氛下单原子的聚集现象（如图2a所示）。此外，纳米岛的引入还增强了金属原子与纳米岛之间的相互作用，进一步提升了催化剂的活性。通过调节单原子的配位环境和电子结构，与载体形成更快的电子转移和物质传输通道，对于提高SANIs催化剂的活性同样至关重要。因此，SANIs结构为实现活性与稳定性兼具的单原子催化剂提供了一种新的模型，使单原子催化剂的应用前景更加广阔。
图3 SANIs电催化剂的挑战、建议和展望。
(1) SANIs电催化剂合成方法。SANIs催化剂合成方法的可重复性、简单化和可扩展性制备方法（3D打印和球磨等）对于其在未来工业催化的发展至关重要。通过机器学习技术与理论计算结合来提前筛选与预测具有高性能和高选择性的SANIs催化剂对于SANIs电催化剂高效合成具有理论指导意义。
(2) SANIs电催化剂的表征。SANIs催化剂反应过程中活性中心是一个动态的过程，可能会涉及单原子-单原子簇的动态演化。因此，单原子催化反应过程的活性位点的实时追踪对于理解单原子催化的选择性催化至关重要。进一步开发具有高能量分辨和高时空分辨的表征技术和探针技术对于理解SANIs催化剂的动态反应过程和提高复杂催化路径的选择性具有重大意义。更为重要的是，由于单原子局部配位环境具有多样，所以微观配位环境描述符的使用对于促进SANIs的精准、可控合成方法的创新与发展具有推动作用。
(3) SANIs电催化剂的工业化应用。将SANIs扩展到双原子纳米岛甚至高熵单原子纳米岛是一种非常有前景的设计方案。如何将优化SANIs电催化剂来克服高腐蚀性(如海水)对于开发更实用的单原子催化剂是有意义的。更重要的是，应将SANIs电催化剂扩展到更多的电化学反应中，如亲核试剂电氧化和电化学合成等。通过将更具有附加值产物的反应与目标半反应偶联更具有商业价值，并能够带动相关领域的发展。
(4) SANIs电催化剂反应过程和机理研究。基于量子力学的DFT计算可以根据已知电子结构模型来探究SANIs电催化剂的活性位点与不同反应中间体的吸附能力和反应能垒，进而从理论上验证具有优异电催化性能的机理。此外，分子动力学模拟可以动态地描述电催化过程中电子的运动状态，从而对研究电催化的反应机理具有价值。值得注意的是，传统多相催化活性位点多样性，导致构效关系不明确，很难做到理性的设计。然而，单原子催化具有明确的活性位点微配位环境。因此可以作为催化剂的一个最小基元理解清楚以后来获取该单原子的本征活性所需的AI标签数据。因此，通过利用AI机器学习大数据支撑来构建精准构效关系数据库，我们相信AI+单原子催化剂将会有更好的发展空间。因为其从原子精准来理解催化剂，对基元理解清楚以后从而实现理性设计单原子催化剂。因此，根据目前的单原子催化剂通过AI辅助来设计双原子SANIs甚至高熵SANIs催化剂在未来几年将成为可能。
P. Wang, Q. Shi, Y. Gao, Y. Wan, J. Zhang, J. You, Y.-Z. Long*, J. Zheng*, Y. Yamauchi*, Single-Atom Nano-Islands: Unlocking New Horizons in Catalytic Activity and Stability. Adv. Mater, 2025, 2503361.
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202503361
王蓬，2019年获得学士学位，2022年获上海理工大学硕士学位。现于青岛大学物理学院攻读博士学位。目前以第一(共一)作者发表在Adv. Mater.(2篇), Adv. Fiber Mater., J. Mater. Sci. Technol.,Rare Met., JMCA等高水平论文12篇；高被引论文一篇；授权发明专利2项。研究方向为纳米/单原子材料的合成与应用，电解海水制氢。
龙云泽，青岛大学物理学院教授、博士生导师，先进纳米纤维创新研究院院长，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任，山东省高等学校国际合作联合实验室（静电纺丝功能微纳米纤维）主任，全国模范教师，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者，山东省有突出贡献的中青年专家，山东省杰青，国际先进材料学会会士。从事静电纺丝功能纳米纤维的制备以及在伤口敷料、能源催化、过滤分离、传感器等方面的应用。在Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, Prog Mater Sci, Nature Mater, Nature Commun, Adv Mater, Angew Chem等发表SCI论文500多篇（入选全球前2%顶尖科学家以及中国高被引学者）；参编英文专著13本；授权国内专利140余项，国外专利7项，转让/许可专利17项。获山东省自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖二等奖、国防科技创新大赛一等奖、中国发明创业奖创新奖一等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖；承担国家重点研发计划、国家自然科学基金等30余项。
郑杰，青岛大学纺织服装学院、非织造材料与产业用纺织品创新研究院助理教授，研究兴趣涉及静电纺丝技术、非织造材料科学以及非绝热动力学等多个前沿方向。近期，研究重心聚焦于纳米材料与介孔材料在海水环境下的电催化机制解析与性能优化，特别是复合物理场环境对催化剂材料微观结构构造与宏观性能提升的机理探索。主持国家自然科学基金2项，山东省自然科学基金1项，青岛市科技项目1项，企业横向2项。以第一作者或通讯作者身份在Adv. Mater.、Adv. Fiber Mater.、Rare Met.、J. Phys. Chem. C、Phys. Chem. Chem. Phys、ACS Appl. Nano Mater.、J. Alloys Compd. 等国内外重要刊物发表SCI收录论文30余篇，授权国内专利12项。
Yusuke Yamauchi，于2007年在日本早稻田大学获得博士学位。之后，他加入了国家材料科学研究所。自2016年以来，他一直是昆士兰大学化学工程学院的全职教授和AIBN的高级组长。自2023年起，他还担任名古屋大学的杰出全职教授。此外，他还是《J. Mater. Chem. A》（RSC）和《Chem. Eng. J.》（Elsevier）的副主编。Yamauchi发表了超过1000篇论文，引用次数超过10万次（h指数>160）。他已被认定为化学（2016-2023年）和材料科学（2020-2023年）领域的高被引研究者，以及2023年的澳大利亚桂冠研究员。
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