综述：单原子催化剂在环境应用中的最新进展、新兴合成方法与表征技术

这篇综述系统梳理了单原子催化剂（SACs）在环境治理与能源转化中的前沿进展，重点阐释了其100%原子利用率、独特几何构型及精准催化特性，涵盖合成策略（如DFT理论指导设计）、表征技术（如原位光谱）及环境应用（如CO2 RR、1 O2 降解抗生素），为构建高效可持续催化体系提供理论范式。

　　

Abstract

单原子催化剂（SACs）凭借100%原子利用率、明确活性位点和卓越的选择性，成为催化领域的研究热点。本文综述了SACs在环境修复与能源转化中的突破性应用，例如Pt/FeOx催化CO氧化、Cu SACs提升甲烷部分氧化制甲醇选择性，以及Gd SACs通过生成¹
O₂
高效降解抗生素。

Introduction

全球工业化加剧了环境污染与能源危机，SACs为环境催化技术提供了原子级解决方案。其核心优势在于：单原子活性位点可精准调控反应路径，如CoN₄
位点增强过硫酸盐（PS）活化效率，推动类Fenton反应降解污染物；在CO₂
RR中实现高附加值化学品定向合成。

Environmental application of single-atom catalysts

SACs在环境治理中展现出多面手特性：

• 水处理：稀土金属SACs通过¹
  O₂
  高效分解抗生素；
• 能源转化：ZIF衍生Cu SACs提升MFC阴极ORR性能；
• 碳循环：Fe-N-C结构优化CO₂
  RR生成CO的选择性。

Synthesis strategy

避免单原子团聚是关键挑战。新兴策略包括：

• 空间限域法：利用MOFs孔道锚定金属原子；
• 电化学沉积：精准控制单原子负载量；
• DFT辅助设计：预测载体-金属相互作用以增强稳定性。

Characterization techniques

先进表征技术揭示SACs微观机制：

• 球差电镜（AC-HAADF-STEM）：直接观测单原子分散；
• X射线吸收谱（XAS）：解析金属配位环境；
• 原位红外光谱：追踪反应中间体动态变化。

Conclusion and outlook

当前瓶颈在于长期稳定性与规模化制备。未来方向包括：

• 双原子位点设计：平衡活性与稳定性；
• 人工智能预测：加速高性能SACs开发；
• 工业适配性：开发低成本载体如生物质碳材料。

CRediT authorship contribution statement

团队协作完成：李风翔负责基金支持与终稿修订，宋文琪参与方法论构建，李海龙完成初稿撰写，外籍合作者Altaf Hussain贡献概念设计。

Acknowledgments

研究受国家自然科学基金（32171615）和国家重点研发计划（2019YFC1804102）资助，彰显中国在环境催化领域的投入。