通过在载体表面构筑缺陷位点，利用载体的C缺陷、O缺陷、S缺陷、金属缺陷等作为“陷阱”捕获单核金属前驱体，再利用金属单原子与缺陷位点的电荷转移效应（charge-transfereffect）来稳定形成的单原子，从而实现单原子催化的合成。
图1.缺陷工程策略合成单原子催化剂
2.空间限域策略
空间限域策略包含两个步骤：1.利用分子筛、金属有机框架材料（MOFs）、共价有机框架材料（COFs）等多孔材料的分子孔道作为“笼子”封装和锚定单核金属前驱体，实现其均匀的空间分布和原子级分散；2.在后处理移除金属前驱体配体的过程中利用载体的骨架或者载体的衍生物稳定形成的单原子，防止其迁移团聚，从而实现单原子催化剂的合成。
图2.空间限域策略合成单原子催化剂
3.设计配位策略
通过在载体表面设计配位点、配位基团作为“爪子”捕捉和锚定单核金属前驱体，再利用金属单原子与配位点的强相互作用稳定形成的单原子，防止其迁移团聚，从而实现单原子催化剂的合成。
图3.设计配位策略合成单原子催化剂
4.其他的合成策略
图4.其他的策略合成单原子催化剂。A.牺牲模板法制备单原子催化剂；B.冰浴法，通过低温抑制金属原子的迁移团聚，实现单原子催化剂的合成；C.原子捕获法，利用合适载体将金属颗粒上的原子逐一捕获，转变成单原子，从而实现单原子催化剂的合成；D.电化学腐蚀法，将金属颗粒刻蚀留下单原子，实现单原子催化剂的合成。
单原子催化剂的电催化应用：
1.单原子催化剂在ORR中的应用
图5.单原子催化剂在ORR中的应用
解析：氧还原反应（ORR）一般经历2电子或者4电子催化路径。相比工业应用的蒽醌法，2电子ORR路径是一种清洁低耗能的途径用以制备双氧水。在燃料电池和锌空电池等应用中，为了实现更高的能源转化效率，希望遵循4电子ORR路径。2电子路径和4电子路径取决于在ORR过程中O-O键是否被保存，而断开O-O键需要连续的活性位点协同吸附一个O2分子，所以以孤立单原子为活性位点的单原子铂基催化剂展现出极大的潜力去实现双氧水的制备(图5.A-C)。
缓慢的阴极ORR催化过程以及贵金属催化剂的价格昂贵和储量稀少是制约燃料电池和锌空电池等商业应用的主要瓶颈。所以发展高效、稳定、价格低廉的ORR催化剂十分重要。将催化剂的活性物种从颗粒降低到单原子是一个有效的策略去提高催化剂的性能，一方面能够实现最大化的原子利用率和活性位点的充分暴露，提高活性位点的数量；另一方面能够利用单原子和载体之间增强的相互作用和电荷转移等效应提高活性位点的本质活性。更重要的是，由于单原子催化剂结构均一，能够作为模型体系，在原子尺度调控活性位点的配位环境和几何构型以优化催化剂的性能和研究ORR的反应机理(图5.D-I)。
2.单原子催化剂在HER中的应用
图6.单原子催化剂在HER中的应用
解析：析氢反应（HER）需要有效的催化剂降低反应的过电势。目前铂基材料是目前最好的HER催化剂，然而贵金属铂的昂贵和稀有限制了铂基催化剂的广泛应用。为了解决这个问题，一个途径是提高Pt的原子利用率从而减低Pt的用量，单原子铂催化剂能够实现最大的铂原子利用率和铂原子活性位点的完全暴露，从而在减低铂金属用量的同时提高催化性能（图6.A-B）。铂单原子不仅能够作为活性位点，还能够触发惰性材料的HER性能(图6.C-D)。另一个途径是发展性能优异的非贵金属催化剂替代Pt基催化剂。低配位的活性中心和新颖的电子结构使得非贵金属单原子（Co、Ni、Mo等）催化剂展现出类似铂基材料的HER性能，而金属和载体之间增强的相互作用和电荷转移效应使得这类催化剂展现出优异的电化学稳定性（图6.E-F）。
3.单原子催化剂在CO2RR中的应用
图7.单原子催化剂在CO2RR中的应用
解析：二氧化碳电还原反应（CO2RR）过程中，由于需要较高的过电势用以活化稳定的C=O键，同时还存在竞争反应HER和多条反应路径，所以往往表现出低的转化效率和较差的产物选择性，这些缺点阻碍了CO2RR的进一步发展和应用。因此，制备高活性、高选择性的电催化剂尤为重要。单原子催化剂具有最高的原子利用率和不饱和配位的活性中心，能够提高催化剂的活性。另一方面，单原子催化剂的活性位点具有均一的结构，使得底物与其的相互作用相同，有利于提高催化剂的选择性。李亚栋教授课题组首次利用单原子Ni催化剂实现了高效的CO2RR过程（图7.A-B）。随后，张涛教授课题组也报道了低价态的单原子Ni能够高效的催化CO2RR，且具有高的稳定性（图7.C-D）。除了单原子Ni,单原子Co催化剂也展现出优异的CO2RR性能，且研究者发现通过优化单原子活性中心的配位结构能够有效的提高催化剂的性能（图7.E-F）。
【总结与展望】
单原子合成策略的发展在催化科学和实际应用中发挥着至关重要的作用。作者对这一领域的发展做了如下总结与展望：
【投稿心得】
（5）语言与图表：由于综述的篇幅较长，成稿以后语言和文字都会有一定的纰漏和错误，所以需要多次反复的修改和校对。图表的大小和格式要按照期刊的要求。
YuanjunChen,ShufangJi,ChenChen,QingPeng,DingshengWang*,andYadongLi*,Single-AtomCatalysts:SyntheticStrategiesandElectrochemicalApplications,Joule,DOI:10.1016/j.joule.2018.06.019.
【作者介绍】
王定胜，清华大学化学系副教授。研究领域是纳米催化。近年来主要研究方向为：单原子、团簇催化剂的精准合成及原子尺度上的构效关系探究。2009年于清华大学取得博士学位，2009年至2012年在清华大学物理系从事博士后研究工作，2012年7月起就职于清华大学化学系，2012年获全国优秀博士论文奖，2013年获国家优秀青年基金。
2018年已发表成果：
1.Single-AtomCatalysts:SyntheticStrategiesandElectrochemicalApplications,Joule,2018,Accepted.
2.SingleTungstenAtomsSupportedonMOF-DerivedN-DopedCarbonforRobustElectrochemicalHydrogenEvolution,Adv.Mater.2018,30,1800396.
3.DefectEffectsonTiO2Nanosheets:StabilizingSingleAtomicSiteAuandPromotingCatalyticProperties,Adv.Mater.2018,30,1705369.
4.PolymerEncapsulationStrategytoSynthesizePorousNitrogen-DopedCarbonNanosphere-SupportedMetalIsolated-Single-Atomic-SiteCatalysts,Adv.Mater.2018,30,1706508.
5.StrainEngineeringtoEnhancetheElectrooxidationPerformanceofAtomic-LayerPtonIntermetallicPt3Ga,J.Am.Chem.Soc.,2018,140,27732776.
6.DiscoveringPartiallyChargedSingle-AtomPtforEnhancedAnti-MarkovnikovAlkeneHydrosilylation,J.Am.Chem.Soc.,2018,140,74077410.
7.RevealingactivespeciesforaerobicalcoholoxidationusingstoichiometricallyuniformsupportedPdcatalysts,Angew.Chem.Int.Ed.,2018,57,4642–4646.
8.OrderedPorousN-DopingCarbonMatrixwithAtomicallyDispersedCoSitesasanEfficientCatalystforDehydrogenation/TransferHydrogenationofN-Heterocycles,Angew.Chem.Int.Ed.,2018,Accepted.
9.CationVacancyStabilizationofSingle-Atomic-SitePt1/Ni(OH)xCatalystforDiborationofAlkynesandAlkenes,NatureCommun.2018,9,1002.
10.CarbonNitrideSupportedFe2ClusterCatalystswithSuperiorPerformanceforAlkeneEpoxidation,NatureCommun.2018,9,2353.
11.Electronicstructureengineeringtoboostoxygenreductionactivitybycontrollingthecoordinationofthecentralmetal,EnergyEnviron.Sci.,2018,DOI:10.1039/c8ee01481g.
李亚栋院士简介
李亚栋，清华大学化学系教授。1986年毕业于安徽师范大学化学系，1991年、1998年先后获硕士、博士学位。曾先后于2001年、2008年获国家自然科学奖二等奖。2011年当选为中国科学院院士，2014年当选发展中国家科学院院士。目前担任学术期刊：《NanoResearch》、《ScienceChinaMaterials》主编、《ScienceBulletin》化学执行主编。主要从事无机纳米材料合成化学研究，目前致力于挑战金属团簇、单原子催化剂以期实现非贵金属替代贵金属催化剂、探索实现催化新反应，解决催化剂均相催化异项化实验室与工业化技术难题。在国际学术期刊包括Science,Nature（及其子刊），JACS,AngewChem,PRL,Adv.Mater.,NanoLetters,等发表学术论文300余篇，被他引超40000次（H-index超100）。已先后培养博士生、博士后高级研究人员30余名，1人获国际“IUPAC青年化学家奖”（2005年），4人获得“全国优秀博士学位论文奖”（2人获提名），6人已获得“国家杰出青年科学基金”资助，8人获“优秀青年基金”、或“青千”等人才称号。