发展高效经济的电解水技术是解决当前能源危机和实现绿色发展的重要途经之一，整个过程密切依赖于电解槽中的阴极反应 (HER) 和阳极反应 (OER) 电催化剂的表现。单原子催化剂 (SACs) 由于具有最高的原子利用率，明确的活性中心，可调的原子位点，在催化领域被认为是有希望的候选材料。此外，SACs中孤立的单原子位点（SASs）的催化活性和稳定性极大地依赖于SACs载体的本征物化特性或它们周围的配体结构，因此调控SACs中的催化位点微环境将对电解水应用中固有的催化活性、反应路径和稳定性产生很大的影响。

图1 构筑不同类型的SASs示意图

近日我院程冲研究员及合作团队刘习奎教授、李爽研究员等围绕着电解水单原子材料的设计原理、合成策略、表征技术等，从对催化剂的结构-性能相关性的理论分析角度出发，重点总结了不同SACs载体上单原子位点的微环境和反应路径调控策略与机制，讨论不同结构单原子位点对其电解水催化的活性、选择性、稳定性等内在机制，并提出了该领域面临的挑战和未来发展方向。电解水单原子材料的原子位点（SASs）的微环境，如原子几何结构和电子结构、配位键结构和空间位阻环境等对于电解水性能至关重要。首先，载体的类型决定了SASs的不同成键微环境，从而导致SACs的物理和化学性质不同，特别是电子结构，以及中间体的吸附强度，从而影响反应进程。其次，先进的表征技术和理论计算的发展为识别不同载体上SASs的原子结构、电子性质以及反应过程提供了一定的机会，对于理解SASs结构如何影响其电化学性质的本质和机制，揭示SASs在电解水应用中的结构-反应性能关系，并合理设计与制备高效电解水SACs是有益的。

图2 不同类型的SASs在电解水催化过程中的反应路径

  近年来，尽管在调控SASs微环境结构以调节其反应特性方面取得了较大的进展，但为了进一步促进其发展，应继续致力于这一领域的研究，例如制备方法，原位分析，具有精确空间结构的表征技术，结合从头计算，人工智能和数据挖掘等的理论分析工具。本文中讨论的SASs微环境工程将为未来电解水单原子材料的开发提供全新的研发思路，以促进这一新兴领域的发展(优越的活性、选择性、稳定性和更低的成本)，并推动单原子材料在电解水中的大规模使用。

图3 调控SASs微环境应用于电解水单原子催化材料的未来研究趋势 

论文信息：

Tailoring Bond Microenvironments and Reaction Pathways of Single-Atom Catalysts for Efficient Water Electrolysis, Angewandte Chemie International Edition, 2022,

https://doi.org/10.1002/anie.202208667