Chemical Reviews：高载量单原子催化剂走向电解应用！

单原子催化剂通过把金属原子孤立锚定在载体上，可实现接近100%的金属利用率，并提供相对明确的配位结构，因此在氧还原、氧析出和CO₂还原等电催化反应中受到关注。但传统低负载SACs通常只有约1 wt %金属含量，活性位点总密度不足。

即使单个位点活性很高，放大到电解器、燃料电池或金属空气电池时，仍难以支撑工业相关的大电流输出。高载量SACs试图解决这一矛盾：一方面提高金属含量和可接触活性位密度，另一方面仍要防止金属迁移、团聚和运行重构。该综述的核心问题，正是如何在“高负载”和“原子级稳定分散”之间找到可放大的材料设计路径。

近日，美国莱斯大学Shaoyun Hao、汪淏田在Chemical Reviews发表了题为"High-Loading Single-Atom Catalysts Synthesis and Applications in Electrolysis"的综述论文。Junwei Zhang, Shaoyun Hao为论文共同第一作者，Shaoyun Hao、汪淏田为论文共同通讯作者。

核心亮点

1. 聚焦高载量单原子催化剂这一电催化前沿，明确≥5 wt %或≥1 at. %且保持单原子分散的定义边界。

2. 系统总结高温热解、湿化学、气相沉积和机械化学等合成路线，强调高负载与抗团聚之间的核心矛盾。

3. 强调HAADF-STEM、XANES、EXAFS、WT-EXAFS和原位/操作表征的组合验证，避免把团簇或纳米颗粒误判为单原子位点。

4. 将材料结构与CO₂RR、ORR/OER、燃料电池、锌空气电池等器件性能关联起来，突出高活性位密度对工业电流密度的重要性。

5. 提出从实验室精准控制走向规模化生产、长期稳定运行和器件级集成的未来路线，为高载量SACs实用化提供框架。

全文速览

高载量单原子催化剂近年来已成为电化学催化领域的重要前沿，因为这类材料兼具活性位点利用率高、配位环境可调和结构原子级明确等优势。

尽管单原子位点通常表现出优异的催化性能，但有限的金属含量和较低的活性位点密度仍限制了其在实际电化学反应器中的大规模应用。突破这一限制，需要发展能够在保持原子分散和运行稳定性的同时实现高金属负载的策略。

该综述全面总结了高载量SACs合成方面的最新进展，用于解析其原子结构和电子结构的先进表征技术，以及其在CO₂电解器、燃料电池和锌空气电池等先进电化学体系中的应用。

研究人员重点分析了若干代表性突破，这些进展连接了原子尺度负载控制与商业级性能之间的差距，并阐明了金属负载量、电子结构调控和催化活性之间的关联。

随后，该综述进一步展望了理性设计策略和新兴机会，旨在推动高载量SACs集成到下一代电催化反应器中，加速其从实验室研究迈向工业部署。

图文解读

图1 |高载量SACs的合成策略与电化学反应器应用框架

图1概括了该综述的主线：高载量SACs需要通过热解、湿化学、沉积或机械化学等方法实现高金属含量，同时保持原子级分散。该图也把材料设计与CO₂RR、燃料电池、锌空气电池等器件连接起来，突出活性位密度对高电流运行的意义。

图2 |交联策略用于制备不同负载量Ir单原子催化剂并验证其结构

图2展示交联策略如何稳定高负载Ir-SACs。XRD用于判断是否出现晶态金属或大颗粒信号，XPS用于定量Ir负载并分析Ir 4f电子状态。该组结果说明，提高金属含量并不等于牺牲原子分散，关键在于前驱体和载体之间形成足够强的锚定作用。

图3 |通过结构设计调控SACs构型并用显微与元素分布验证

图3从合成路径、结构模型到TEM、HR-TEM和EDS mapping逐层展示SACs的构筑逻辑。不同结构对应不同金属分散状态和载体环境，说明高载量单原子材料不能只看总金属含量，还必须同时确认形貌、局域结构和元素空间分布。

图4 |Ru-SACs在不同热处理条件下的原子分散与配位结构证据

图4以Ru-SACs为例，结合HAADF-TEM、EDS、XRD、XPS和EXAFS判断热处理温度对结构的影响。

图中Ru-SACs-500和Ru-SACs-900的对比表明，高温有利于形成稳定结构，但也可能带来团聚风险，因此需要多种表征共同确认Ru仍以孤立位点存在。

图5 |Fe-SA-NSFC的合成、形貌、元素分布和原子级Fe位点确认

C、Fe、N、S、F均匀分布，AC-HAADF-STEM中明亮孤立点对应Fe单原子位点，说明杂原子共掺杂碳骨架可提供丰富锚定位点，从而支撑较高Fe负载。

图6 |千克级Cu/CN SAC合成与Cuδ⁺–N₃局域配位结构解析

图6突出规模化制备与精细结构确认的结合。该工作实现Cu/CN SAC的一锅法千克级产量，并通过XANES、FT-EXAFS、WT-EXAFS和拟合曲线证明Cu主要以Cuδ⁺形式存在于Cu–N₃配位环境中。该例说明高产率、高负载和单原子结构可以协同实现。

图7 |微波辅助法将Ni²⁺引入UiO-66-NH₂并调控MOF配位环境

图7展示Ni²⁺进入UiO-66-NH₂后与MOF节点发生配位调控，而不是形成Ni纳米颗粒。DRIFTS中2745 cm⁻¹附近信号、Ni K边XANES、EXAFS和拟合模型共同指向Ni²⁺修饰Zr₆-oxo簇的结构。这说明MOF可作为高密度、可设计锚定位点平台。

图8 |纳米铸造策略由PCN-222(Fe)构筑介孔FeSA-N-C单原子催化剂

图8展示从PCN-222(Fe)到FeSA-N-C的结构转化过程。SEM和TEM说明前驱体与产物形貌变化，HRTEM显示介孔结构，AC-HAADF-STEM进一步确认Fe以孤立原子分散。该案例说明MOF衍生碳材料既能提供孔道传质，又能保留Fe–Nₓ类活性中心。

图9 |两步退火策略突破Ni-NC等载体上超高密度SAC制备限制

图9把文献中Ni SACs负载水平与新策略进行比较，显示传统一步热处理容易产生较大Ni物种，而两步退火可在10 wt %级Ni-NC中维持更小尺寸和更高分散度。该图还扩展到NC、PCN和CeO₂载体，说明超高密度SAC设计具有一定通用性。

图10 |SAS-Fe的元素分布、Fe单原子可视化与Fe–N配位结构拟合

图10通过TEM、HAADF-STEM、EDX mapping和AC-HAADF-STEM证明SAS-Fe中N、C、Fe分布均匀，且可直接观察到孤立Fe原子。

Fe K边EXAFS与Fe foil、Fe₂O₃、Fe₃O₄对比，并结合R空间拟合，说明Fe主要与轻元素配位而非形成Fe–Fe金属键。

图11 |Pt₁/FeOₓ经800 °C煅烧后仍保持原子级Pt分散

即使经过800 °C处理，图中仍可观察到分散Pt位点，EXAFS与PtO₂和Pt foil参比对比显示Pt局域配位发生演化但未明显转为金属Pt颗粒，体现强金属–载体相互作用的稳定作用。

图12 |Co掺杂ZrO₂体系中晶相、峰位偏移和Co局域结构证据

图12用XRD、XANES和EXAFS分析CoZrOₓ与Co₃O₄/ZrO₂的差异。t-ZrO₂(101)衍射峰偏移提示Co进入或扰动ZrO₂晶格，Co K边谱图与参比氧化物对比则用于判断Co价态和配位环境。该图说明氧化物载体也可通过晶格锚定稳定单原子位点。

图13 |多孔二维Al₂O₃载体锚定Cu原子并调节片层形貌与孔道结构

图13展示Cu在多孔二维载体上的锚定过程。AC-HAADF-STEM、SAED、AFM厚度剖面和不同Cu负载量下的形貌对比说明，Cu/AlOOH前驱体可转化为Cu/Al₂O₃二维片层，并形成面内纳米孔道。该结构有助于兼顾金属分散、位点暴露和传质通道。

图14 |Fe-sMoS₂中缺陷、局域结构和层状MoS₂骨架共同稳定Fe单原子

XRD和EPR反映MoS₂缺陷及电子环境变化，ADF-STEM直接标出孤立Fe原子，k³加权FT-EXAFS与FeS、FeCl₃、FeCl₂·4H₂O、Fe foil对比，用于排除金属Fe聚集并说明Fe与硫化物载体形成稳定局域配位。

图15 |Pt/CeO₂负载阈值决定Pt单原子与金属颗粒之间的结构转变

图15比较3 wt %与4 wt % Pt/CeO₂样品。3 wt %样品无明显金属Pt衍射峰，XPS显示Pt主要为+2价；4 wt %样品出现Pt(111)反射和大颗粒。

AC-STEM进一步显示3 wt %样品中Pt单原子可分布在CeO₂表面台阶处，说明负载量过高会越过稳定阈值。

总结

高载量SACs正在把单原子催化从基础结构模型推向实际电化学器件，但其未来发展仍取决于几个关键问题。首先，合成方法需要从实验室精准控制进一步走向可放大生产，在提高金属负载量的同时保持单原子分散、均一配位和批次稳定性。

其次，表征体系不能只依赖单一显微图像或平均谱学信号，而应结合原位/操作XAS、振动光谱、电子显微、三维空间成像和位点计数方法，确认高密度金属位点在真实反应条件下是否仍保持孤立、可接触和稳定。

在应用层面，高载量SACs的价值不仅来自单个位点的高活性，更来自足够高的可利用活性位密度。CO₂电解器、燃料电池和锌空气电池等体系都要求催化剂在高电流密度、复杂传质环境和长时间运行下保持选择性与稳定性。

因此，未来设计需要同时考虑电子结构、位点间距、孔结构、催化层传质和反应器构型。从产业转化角度看，规模化制备成本、贵金属利用效率、载体耐久性、膜电极集成、气液固传质和长期衰减机制仍是主要瓶颈。

只有把原子尺度结构控制与器件工程、操作表征和理论计算结合起来，高载量SACs才有望真正跨越从模型催化剂到下一代能源转化技术的距离。

High-Loading Single-Atom Catalysts Synthesis and Applications in Electrolysis,Chemical Reviews,2026,DOI:10.1021/acs.chemrev.6c00352

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