南昌航空大学陈素华教授团队ACS Catalysis综述: 单原子催化剂的十字路口: 从实验室合成走向实际应用

第一作者：陈豪杰

通讯作者：陈素华、刘宏达、王紫薇

通讯单位：南昌航空大学、湖南大学、香港城市大学

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c08694

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单原子催化剂（SACs）以其极高的原子利用率和明确的活性中心结构，在能源转化与环境修复领域展现出巨大潜力。然而，如何实现SACs从实验室研究到工业应用的跨越，仍是当前面临的关键挑战。本文系统综述了近年来SACs的大规模合成策略，重点关注热解法、熔盐模板法、球磨法等传统方法，以及焦耳加热、微波加热、低温合成等新兴技术。文章还前瞻性地探讨了基于废弃物的绿色合成路径，以及SACs在催化膜和电化学器件中的集成应用，旨在为SACs从原子结构设计到宏观系统集成的全链条研究提供理论框架与技术路径。

背景介绍

自2011年单原子催化剂概念提出以来，其在催化领域的独特优势备受关注。SACs不仅实现了金属原子的最大化利用，还因其明确的活性中心结构，成为研究催化机理的理想模型。随着研究深入，SACs的应用已拓展至CO₂还原、锌空气电池、高级氧化、水净化等多个前沿领域。当前，SACs研究迈入攻克规模化制备与实际应用工程难题的关键阶段。然而，其大规模制备与工程化应用进程仍面临多重瓶颈：如何在保证结构均匀性的前提下实现克/公斤级合成？如何在高金属负载下抑制原子团聚？如何将粉末催化剂高效集成至宏观器件中？这些问题的解决，是推动SACs从“实验材料”走向“工业催化剂”的关键。

本文要点

要点一：全面梳理规模化合成策略

首次系统整合SACs传统规模化合成策略（热解、熔盐模板、球磨）与新兴技术（焦耳加热、微波加热、低温合成），对比分析各方法的合成条件、适用体系、核心优势与局限性，解析了不同策略调控金属原子分散状态、配位结构的关键机制。

要点二：聚焦绿色可持续合成路径

创新性提出以塑料、市政污泥、废轮胎等废弃物为原料制备SACs的方法，实现了废弃物的高值化转化，既降低了SACs生产的原料成本，又缓解了环境压力，构建了“资源-产品-再生资源”的循环模式。

要点三：深入探讨器件集成设计

详细阐述了SACs与催化纳滤膜、陶瓷膜、锌空气电池电极、CO₂还原电解器等宏观器件的集成策略，解决了粉末状SACs在实际应用中的传质、回收、稳定性等问题，实现了原子级活性与器件级性能的协同提升。

要点四：构建跨尺度认知框架

搭建了从SACs原子结构设计（配位环境、电子结构）到宏观系统协同（器件集成、工艺放大）的完整认知体系，为解决SACs工业化的核心瓶颈提供了系统性思路。

要点五：前瞻性提出工业化方向

基于当前研究现状，从生产线设计、器件集成、稳定性提升、人工智能辅助、全链条评估五个方面，提出了SACs实现工业应用的未来研究方向，为后续研究指明了重点。

图文解析

本文通过多幅核心图表清晰阐释了SACs从实验室到工业应用的关键环节，核心图表解析如下：

图1：SACs从实验室合成到实际应用的路线图：明确了SACs工业化的核心链路为“实验室合成→规模化制备（传统+新兴策略）→绿色原料提取及回收→器件集成（膜、电催化器件）→工业应用”，直观展现了各环节的核心关联与关键目标。

图2-3：传统规模化合成策略机制图：解析了热解、熔盐模板、球磨三种传统方法的核心合成机制。热解法通过前驱体设计与配位工程构建稳定M-N_X键，实现了1.6 kg级Ni-SACs的单次制备；熔盐模板法利用NaCl等盐的相转变效应调控金属中心配位环境，可合成25种不同金属的SACs及高熵单原子催化剂；球磨法通过机械力诱导体相金属原子剥离，实现了4.7 g级Co-SNC的快速合成，三种方法均实现了克/千克级制备，为工业化奠定了材料基础。

图4-6：新兴合成策略优势图：展示了焦耳加热、微波加热、低温合成的独特优势。焦耳加热以毫秒-秒级的超快升降温抑制原子团聚，还可实现活性位点的精准刻蚀；微波加热利用“热点效应”构建传统方法难以实现的低配位Co-N₂、Cu-N₃位点，大幅提升催化活性；低温合成（<300 ℃）通过“固载-还原”机制避免高温烧结，实现了SACs与MXene膜的一步集成，兼具节能与结构完整性优势。

图7：废弃物基SACs合成图：展示了以塑料、污泥为原料的绿色合成工艺，利用熔盐模板法将聚乙烯、聚丙烯等废塑料转化为SACs，碳转化率达88%，将市政污泥转化为Fe-N₃O单原子催化剂，生命周期评估显示该路径较传统污泥焚烧大幅降低环境影响，实现了环境与经济双重效益。

图8-9：SACs器件集成应用图：解析了SACs在水处理膜与电化学器件中的集成应用。将SACs锚定在纳滤膜中，实现了500 h连续水处理的近100%污染物去除；将SACs集成到锌空气电池电极，电池峰值功率密度达233.9 mWcm^-2，远优于商业Pt/C催化剂；在CO₂还原电解器中，10×10 cm²的膜电极组件实现了97.1%的CO法拉第效率，展现了良好的实际应用潜力。

图10：SACs工业化未来研究方向图：从工业生产线设计、器件集成策略、实际应用稳定性、AI辅助研发、全链条可持续评估五个维度，勾勒了SACs工业化的未来发展蓝图，为后续研究提供了清晰的方向指引。

总结与展望

本文系统回顾了SACs在大规模合成与器件集成方面的最新进展，指出传统方法已在克/公斤级制备中取得实质性突破，而新兴技术则为精准构建活性中心提供了新范式。未来研究应聚焦以下方向：

1. 从实验室合成到工业生产线设计：开发连续进料、能量场均匀的合成设备，实现从间歇式到连续式生产的转变。

2. 发展适用于大规模集成的器件策略：推动SACs合成与器件制造的一体化，设计多级孔电极、柔性膜等结构以优化传质与导电。

3. 提升实际环境中的稳定性与寿命：通过原位表征揭示真实活性中心结构，开发强金属-载体相互作用或核壳结构以增强耐久性。

4. 人工智能辅助的深入洞察与应用优化：利用AI预测合成参数-结构关系，建立“配位结构-器件性能”量化模型。

5. 全链条LCA与TEA研究：建立涵盖原料获取、合成、使用、回收的全生命周期评价体系，为绿色产业化提供科学依据。

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