综述：单原子催化剂在便携式能源与传感器技术中的未来发展

《Chinese Journal of Catalysis》：Future development of single-atom catalysts in portable energy and sensor technologies

本综述系统阐述单原子催化剂（SACs）凭借高原子利用率、精准可控结构及优异催化活性，在便携式锌空电池（ZABs）、质子交换膜燃料电池（PEMFCs）及多类传感器中的创新应用，重点剖析材料设计、结构优化与封装集成对提升设备性能的关键作用，为可穿戴电子设备与智能传感技术的大规模部署提供理论指引。

　　

单原子催化剂在便携式能源与传感器技术中的发展前景

引言

随着全球能源需求持续增长，传统化石燃料因不可再生性和环境污染问题已难以适应可持续发展需求。绿色能源革命虽催生了水电、太阳能等可再生能源，但其间歇性、波动性等特点仍制约着对化石燃料的全面替代。在此背景下，将化学能转化为电能的新型能源存储与转换技术成为研究热点。其中，电催化剂作为“核心部件”对提升能源转换效率至关重要。在氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）等关键反应中，铂（Pt）、铑（Rh）、钌（Ru）等贵金属催化剂虽能保障高效稳定，但其资源稀缺性及价格波动性严重限制大规模应用。为突破瓶颈，开发低成本、高稳定性替代催化剂成为能源与环境技术的研究重点。

当前高效电催化剂研究主要聚焦两大方向：一是开发低载量贵金属催化剂以降低成本；二是设计非贵金属催化剂实现完全替代。前者通过调控金属颗粒尺寸、形貌及合金化技术优化性能，例如Shao团队发现Pt纳米颗粒在2.2 nm时ORR质量活性与比活性最高，而Zhang课题组通过精确调控PtFe合金自旋占据态，研发出性能超越商业Pt/C的低铂催化剂PtFe@FeSAs-N-C。非贵金属催化剂则以非金属碳基材料与过渡金属基材料为主，但碳基催化剂因缺乏金属活性中心导致催化活性与稳定性不足，过渡金属催化剂则易因金属分散性差出现团聚或浸出问题。

单原子催化剂（SACs）通过将金属原子精准锚定于载体（如碳材料、氧化物、氮掺杂碳等），不仅实现原子级分散与近100%原子利用率，更展现出卓越的催化选择性和结构稳定性。结合密度泛函理论（DFT）与机器学习（ML）的精准建模，SACs为催化机制研究提供理想平台。其明确活性位点结构可避免传统催化剂因活性位点模糊导致的理论偏差，显著提升理论计算可靠性。凭借高效、可调控的特性，SACs在金属-空气电池、燃料电池、传感器等能源转换与存储设备中展现出广阔前景。

传统能源设备因体积大、重量重难以满足现代移动设备轻量化、高功率密度需求，而柔性可穿戴设备的发展进一步对能源系统的柔性、稳定性及环境适应性提出更高要求。因此，能源存储/转换系统与传感系统正朝着小型化、柔性化、高集成化方向演进，亟需材料创新与结构优化以实现高效供能与高灵敏度检测的协同提升。SACs在此背景下成为推动便携式设备性能突破的关键材料。

便携式锌-空气电池

柔性可穿戴电子设备的快速发展对能源系统提出苛刻要求。锌-空气电池（ZABs）因理论能量密度高（1086 Wh/kg）、安全性好、成本低等优势成为便携能源的理想选择，但其商业化受限于空气电极动力学缓慢的ORR/OER反应。SACs通过单原子活性位点与载体协同作用，可显著提升反应动力学。例如Fe-N₄位点能优化氧中间体吸附能，Co-SACs则通过调控d带中心增强ORR活性。柔性ZABs的电极结构设计需兼顾导电性、机械强度与催化活性，其中碳布、碳纳米管等柔性载体与SACs的复合可实现弯曲条件下稳定放电。封装技术则需解决电解质泄漏与电极腐蚀问题，多层薄膜封装与凝胶电解质应用有效提升设备可靠性。

便携式质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）以其高能量转换效率、低温快速启动、零排放等特性成为便携能源研究焦点，但阴极ORR反应依赖铂基催化剂导致成本高昂。SACs可通过非贵金属（如Fe、Co）活性位点实现高效ORR，例如Fe-N-C类SACs在酸性介质中半波电位可达0.85 V（vs. RHE），接近商业Pt/C性能。膜电极组件（MEA）的界面结构优化对提升PEMFCs功率密度至关重要，SACs与离子聚合物的均匀复合可促进三相界面传质过程。便携式PEMFCs还需解决氢供应与热管理问题，金属氢化物储氢罐与微流道冷却技术的结合为系统小型化提供可行方案。

便携式传感器

在环境监测、医疗诊断等领域，便携传感器正朝着高灵敏度、快速响应、微型化方向发展。SACs凭借高表面活性与特异性吸附能力，在气体传感器（如NO₂、CO检测）、湿度传感器、温度传感器中表现突出。其原子级活性位点可增强目标分子识别能力，例如Zn-SACs对甲醛的检测限低至0.1 ppm，Mn-SACs基于类酶催化反应可实现葡萄糖无损检测。柔性传感器基底（如聚酰亚胺、水凝胶）与SACs的集成进一步拓展了在可穿戴健康监测中的应用，但需解决机械变形下的信号稳定性问题。微机电系统（MEMS）技术与SACs的结合则推动传感器向芯片级集成发展。

挑战

尽管SACs在便携设备中展现出巨大潜力，其规模化应用仍面临多重挑战：合成方面，高温热解等传统方法难以精确控制单原子负载位点，而化学气相沉积等精准合成技术成本高昂；稳定性方面，SACs在电化学环境中易发生原子迁移或团聚，需通过载体缺陷工程（如氮空位调控）增强锚定作用；成本控制方面，贵金属型SACs仍受资源限制，非贵金属SACs的长期稳定性亟待提升；系统集成中，SACs与柔性基底的界面相容性、封装材料的耐老化性等问题也制约着设备可靠性。未来需通过多尺度模拟指导材料设计，结合自动化合成与原位表征技术推动SACs从实验室走向实际应用。

结论

单原子催化剂作为连接原子尺度结构与宏观器件性能的桥梁，为便携式能源与传感器技术注入新动能。通过DFT/ML辅助的理性设计、载体界面工程及系统级优化，SACs有望在可穿戴电子、智能传感等领域实现性能突破，推动便携设备向高效化、柔性化、智能化方向演进。