单原子催化从实验室到工业：机遇、挑战与未来展望

本文聚焦单原子催化剂（SACs）和单原子合金（SAAs）在工业催化应用中的关键挑战，探讨了如何通过精准调控局部微环境、发展先进表征技术与机器学习方法，实现从基础研究到规模化应用的跨越，为高选择性、可持续催化过程提供新范式。

　　

随着全球化工行业向绿色低碳转型，开发高效、高选择性的催化材料成为关键挑战。传统催化剂存在原子利用率低、选择性不足等问题，尤其在大规模工业生产中，即使选择性提升几个百分点也能带来显著的成本和废弃物减排效益。单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）因其理论上100%的原子利用率和可调控的活性中心，成为催化领域的研究热点。然而，如何实现SACs的规模化制备、保持其在工业条件下的稳定性，以及真正理解其构效关系，仍是亟待突破的难题。

为了推动SACs从基础研究走向工业应用，六位国际知名研究人员在《Cell Reports Physical Science》的“Voices”专栏中分享了他们的见解。研究覆盖了单原子催化剂的设计策略、结构表征、反应机制以及在热催化、电催化和大分子转化等领域的应用前景，特别强调了产学研合作在解决规模化挑战中的重要性。

本研究主要依托表面科学技术、原位表征、理论计算与机器学习方法，结合工业反应条件验证，系统探讨了SACs的可行性。其中，Sykes团队通过表面科学手段提出单原子合金（Single-Atom Alloys, SAAs）概念；Pérez-Ramírez和Yang团队强调局部微环境控制与多技术联用表征；Lum和Pan团队则聚焦于电催化与重油加氢等具体工业场景。

Toward scalable single-atom catalysis: Fundamentals and engineering strategies

E. Charles H. Sykes指出，单原子合金（SAAs）因其高选择性和抗中毒能力显示出工业应用潜力。其团队通过理论计算预测并结合实验验证，发现了用于烷烃脱氢的Rh/Cu和乙烯环氧化促进剂Ni等新型催化剂。尽管SACs/SAAs前景广阔，但其规模化仍面临合成控制、工业气氛适应性和高温高压下稳定性等挑战。模块化光热反应器系统（如Syzygy Plasmonics公司的技术）可能加速其工业应用。

Single-atom≠ single-site: The truth about local environments

Javier Pérez-Ramírez与Ming Yang强调，单原子并不等同于单一活性位点。实际SACs中存在由合成条件、载体异质性和动态重构导致的多种配位环境，这为理性设计带来挑战。解决这一问题需发展可控合成方法以构建结构明确的SACs库，并整合先进显微学、光谱学、理论和催化评价方法。机器学习在从数据中提取构效关系方面展现出潜力，但其依赖于高质量、标准化的数据。

Underpinned general science makes single-atom catalysis research fresh

Sharon Mitchell指出，单原子催化研究的意义远超新材料开发，它提供了重新审视和升级传统工业催化剂的新视角，并在原子水平揭示了催化化学机制。该领域正从理解单一金属原子功能走向探索金属与配体（载体、外来原子、吸附物/溶剂化）协同作用的精确活性位点。学术界与工业界的合作对实现技术规模化至关重要。

Promise and prerequisites of SACs in complex organic transformations

Yanwei Lum探讨了SACs在复杂有机分子转化中的应用前景。SACs可通过调控电子和几何环境实现反应中间体的选择性活化，但其设计与均相催化剂不同，需重新思考催化剂与反应原则。拓展至不对称、串联或级联反应时，平衡活性与稳定性尤为关键。前瞻性技术经济和生命周期评估（Life Cycle Assessment）工具有助于引导SACs向可持续方向发展。

Exploring new electrocatalytic reactions with single atoms

Yuan Pan总结了SACs在电催化中的进展。例如Fe-N₄位点表现出卓越的氧还原反应（ORR）活性，Ni-N₄可实现CO₂到CO的高选择性转化。SACs的可调配位环境为控制反应路径提供了可能，有望推动甲烷部分氧化、乙烯氧化、C-N耦合和乙炔还原等新反应的发展，助力化学合成电化化和工业过程脱碳。

Single-atom Mo catalysts for slurry phase hydrocracking of heavy oil

针对全球储量占比高达70%的劣质重油，研究团队设计了碳载钼单原子催化剂（Mo SACs），采用超分子自组装限制硫化策略抑制钼活性物种团聚。通过调控钼局部微环境，提高了H₂活化频率和活性氢溢出速率，促进重油高效转化。未来挑战包括Mo SAC结构调控、单原子胶体催化体系构建以及原位揭示重油加氢机理。

该研究一致认为，单原子催化已在基础科学和理解上取得显著突破，但其工业应用仍面临合成规模化、长效稳定性和过程适配等工程挑战。解决这些挑战需要跨学科合作，结合先进表征、理论计算和机器学习方法，并在实际工业条件和全生命周期评估下验证其性能。单原子催化不仅有望推动化工、能源领域的节能减排，更代表了一种原子级精准调控催化性能的新范式，为未来可持续化学工程奠定基础。