电解水技术是解决能源危机和实现绿色发展的重要途经之一，整个过程与电解槽中的阴极反应 (HER) 和阳极反应 (OER) 电催化剂密切相关。目前，已经证明，单原子催化剂 (SACs) 具有最高的原子利用率，明确的活性中心，可调的原子位点，在催化领域是有希望的候选者。SACs中孤立的单原子位点（SASs）的反应性，选择性和稳定性极大地依赖于其载体的本征物化特性或它们周围的配体结构，SASs与载体局部环境之间的高效电荷转移可能会影响SASs的d带中心。同时，现有文献表明，不同SASs位点微环境以及独特的电子结构使单原子材料表现出区别于纳米颗粒的催化特性；因此调控SACs中原子位点的微环境将对电解水中固有的催化活性、反应路径和稳定性产生很大的影响。
近日，四川大学的李爽研究员等人受邀在Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Tailoring Bond Microenvironments and Reaction Pathways of Single-Atom Catalysts for Efficient Water Electrolysis”的总结性综述文章（图1）。该文章从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，以期促进其在实际电解水中的大规模应用。
图1 构筑不同类型的SASs示意图
本文亮点
1. 本综述就电解水单原子材料的设计原理，合成策略，表征技术以及结构-性能相关性的讨论提供全新的交叉学科观点，重点介绍近五年中在调控不同SASs结构的微环境和反应路径以及应用于电解水的的性能优势所取得的基本进展和关键挑战。
2. 讨论了如何设计和调节SASs在不同载体(有机框架、碳载体、金属合金和过渡金属化合物) 上的成键微环境工程。结合理论计算示例，揭示了SASs结构如何影响其电催化性质的本质和机制，并总结了加速其未来发展的关键需求。
3. 比较了电解水单原子材料的电解水性能，提出了该领域面临的挑战和未来方向，以推动SACs在实际电解水中的广泛应用。
图文解析
1. 设计原理，合成策略和先进表征
SASs的位点微环境，如原子几何结构、电子结构、配位键结构和空间位阻环境等对于优化电催化水分解性能至关重要。因此，在避免金属原子聚集的同时，构建具有明确微环境结构的SAS是非常必要的。此外，系统地了解SASs的微环境-活性关系和电催化反应机理，开发通用便捷的大规模合成方法，有利于设计制备出高效、廉价的SACs。除此之外，先进表征技术的发展为识别不同载体上SAS的原子结构和电子性质提供了一定的机会，在很大程度上促进了对SASs微环境的研究并有利于揭示电催化过程中的反应路径。
图2 不同类型的SASs在电解水反应中的催化机制
图3 SASs的合成构筑策略
表1 用于探究SASs位点微环境的先进表征技术优缺点
2. 不同载体上的SASs位点微环境
在该综述中，我们重点从文献中总结出四种载体SASs微环境，包括有机框架，碳载体，金属合金和过渡金属化合物，尽管这些类型没有严格分开，但对于理解SASs结构如何影响其电化学反应的本质和机制，明确其在电解水应用中的构效关系，并合理设计与制备高效电解水单原子材料是有益。
3. SASs在电解水中的结构-活性关系
SASs的特定位点微环境赋予催化剂独特的原子结构和电子性能，从而提供不同的催化行为，特别是在中间体的吸附方面。本文重点介绍电解水单原子材料的微环境工程在电解水应用方面的最新进展，并详细介绍其优缺点、微环境-活性关系以及相关反应途径的基本见解。
表2 不同类型的SASs催化性能及比较
4. 总结展望
在本前瞻性综述中，我们针对代表性的载体材料设计SASs的原子和成键微环境进行了详细总结。同时，还系统地讨论了如何利用微环境工程设计SASs结构并用于电解水应用。在不同载体上调控SASs位点微环境和反应途径是电解水的新兴研究方向，随着SASs合成-结构-性质相关性知识的不断积累，我们预计可实际大规模使用的电解水单原子材料将很快成为可能。尽管在调控SASs位点微环境结构及其反应特性方面已经取得了一些进展，为进一步促该领域的发展，继续专注于制备更加精确和高效SASs结构将非常有必要，例如制备方法，原位分析，开发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等。作者希望本文中讨论的SASs微环境工程将为读者提供全新的角度去分析和讨论电解水单原子材料，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)，推动单原子材料在电解水中的大规模使用。
图4 调控SASs位点微环境应用于电解水催化的未来研究趋势
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202208667