南昌航空大学/湖南大学/港城大ACS Catalysis综述: 单原子催化剂,从实验室到工程化应用

论文概要

近日，南昌航空大学陈素华、湖南大学刘宏达、香港城市大学王紫薇等在ACS Catalysis期刊发表题为“Single-Atom Catalysts at the Crossroads: Navigating the Path from Laboratory Synthesis to Real-World Devices”的综述论文。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。

图文解读

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。

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