综述：多孔载体锚定高密度单原子位点催化剂用于水电解研究

本综述系统阐述多孔载体负载单原子催化剂（PS-SSCs）在水电解中的前沿进展。通过剖析多孔结构对高密度金属位点锚定、传质强化、界面应力/电场调控及协同催化活性的多重作用机制（如界面电子效应、质量传递优化），为设计高效电解水催化剂提供新视角。特别强调PS-SSCs在工业化电解槽集成应用中的挑战与机遇。

　　

Graphical Abstract

多孔支撑单原子催化剂体系（PS-SSCs）正成为水电解领域的研究热点。这类材料通过独特的孔隙结构实现金属活性位点的高密度负载，同时优化反应物传输路径并调控界面电子环境。最新研究表明，氮掺杂碳骨架、金属有机框架（MOFs）等多孔载体可协同提升单原子位点（如Fe-N₄、Co-N₄）的本征活性，使析氧反应（OER）过电位降低至<300 mV@10 mA cm^-2。

Abstract

单原子催化剂（SSCs）虽具有近乎100%的原子利用率，但传统载体上的低密度负载限制了其整体催化性能。将SSCs与分级多孔材料复合后，比表面积可提升至2000 m² g^-1以上，单金属位点密度突破10²⁰ sites g^-1。透射电镜（TEM）和X射线吸收谱（XAS）证实，多孔载体能稳定金属-氮配位结构，并通过局部应变效应调节d带中心位置。

多孔载体的功能机制

1. 1.

   高密度锚定：三维互连孔道提供大量边缘缺陷位点，使Ir单原子负载量达5.8 wt%，远超平面碳基载体（<1 wt%）。

2. 2.

   传质强化：大孔-介孔分级结构将电解液扩散速率提升3个数量级，有效缓解气泡阻塞问题。

3. 3.

   界面调控：石墨烯褶皱产生的局部电场使Co单原子的OER turnover frequency（TOF）提高至25 s^-1。

4. 4.

   协同效应：相邻Fe/Ni双位点通过*OOH中间体耦合，将析氢反应（HER）能垒降至0.8 eV。

材料体系进展

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  碳基载体：氮掺杂碳纳米管负载的Pt₁/NC在酸性HER中展现0.9 A mg_Pt^-1的质量活性

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  MOFs衍生材料：ZIF-8衍生的Zn-Co-N-C催化剂在碱性条件下稳定性>500 h

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  共价有机框架：亚胺连接的COFs实现Fe单原子间距精准调控（±0.2 nm）

工业化挑战

尽管PS-SSCs在实验室尺度表现优异，但规模化制备仍面临载体结构均一性控制、膜电极集成工艺等瓶颈。理论计算预测，通过机器学习辅助的孔径-活性关系建模，有望将催化剂开发周期缩短60%。未来研究需聚焦于：

1. 1.

   原位表征技术揭示动态反应机理

2. 2.

   原子层沉积（ALD）等精准合成方法开发

3. 3.

   多物理场耦合下的衰减机制解析