张涛院士及其同事于2011年设计并制备了第一个Pt1/FeOx单原子催化剂(SACs)，并在多相催化领域提出了“单原子催化”的概念。一般情况下，载体上的活性金属单原子位点容易迁移聚集，导致性能变差; 或者金属原子与载流子之间的化学键太强(不动)而导致活性位点钝化。最近，曾杰等人设计了一种“纳米岛”型SACs，其中活性金属原子被隔离在“岛”上，可以在各自的“岛”内移动，但跨“岛”的迁移被阻断，实现了单原子的动态约束设计(即金属活性位点的“移动而不聚集”设计)。

在本综述中，广东石化院ZS Li和广西师大QY Li等人提出了“单原子纳米岛(SANIs)”的概念来描述多相催化领域中这些新型的“原子-纳米系统”。具体来说，他们将SANIs分为三类: “一岛一原子”、“一岛多原子”和“岛海协同”架构。本论文详细综述了SANIs在多种多相催化领域(即热催化、光催化和电催化)的科学意义和应用原理。并从这一角度提出SANIs面临的挑战和建议。

图文解析

图1 三种SANIs结构示意图: (1)“一岛一原子”，(2)“一岛多原子”，(3)“岛海协同”结构(岛上或载体(海)上金属原子的不同颜色表示其配位结构不同或金属元素不同)。

在多相催化中，单原子催化剂(SACs)因其独特的几何和电子性质、最高的原子利用效率和均匀的活性位点而受到化学家的广泛关注。与传统负载型SACs相比，纳米岛基SACs（“单原子纳米岛(SANIs)”）中的每一个原子作为活性位点，在提高催化效率方面都可能是“以一当十”。主要的科学意义可以从三个层面考虑:(1)“一岛一原子”架构中的“移动而不聚集”，或(2)“一岛多原子”架构中的密集位点协同，或(3)“海岛协同”架构中的双功能位点协同。三种SANIs的具体结构优势如图1所示。

图2 “一岛一原子”结构的Pt1-CeOx/SiO2 SANIs热催化应用: (A)合成工艺示意图，(B)原子结构表征，(C)热催化CO氧化性能。

最近，中国科学技术大学J Zeng（曾杰）课题组与合作者在《自然》杂志上报道了“功能性CeOx纳米胶用于强原子分散催化剂”的研究成果。通过将有缺陷的CeOx纳米凝胶岛移植到高表面积的SiO2上(每个纳米凝胶岛平均有一个Pt原子，即“一岛一原子”结构)，可以增强单个分散Pt原子的有益催化效果。Pt原子在高温氧化还原环境中保持分散，活化催化剂对CO的氧化活性显著提高。这种在还原条件下的高稳定性归因于“纳米岛的限制效应”，其中Pt原子可以在岛内热传输，但仍被限制在各自的CeOx纳米凝胶岛中(即所谓的“移动但不聚集”设计理念，用于实际反应条件下的支持SACs)（如图2所示）。

图3 单原子纳米岛(SANIs)研究路线图。

在本综述论文中，ZS Li和QY Li等人首先主张了：通过探索载体-纳米岛-单原子(或亚纳米原子团簇)多种异质结构的界面效应(包括化学因素和物理根源)，最终力图阐明三种异质组分(或“集成催化剂”)的协同机制和催化增强性质，为高性能SANIs催化材料的设计和合成提供理论支持。

其次，作者明确指出了“一岛一原子”架构“动而不聚”的动态约束效应，具有很大的启发意义。为了更好地探索真实的催化位点，需要进一步精确的表征和模拟来研究单金属原子绕岛运动过程中配位结构的变化。缺陷纳米岛的原子空位环境可能因地而异，“一岛一原子”的动态限制效应可能很重要。

第三，SANIs原子-纳米体系催化性能的优化通常归结于活性位点电子结构的调控(包括配位结构、电子态密度、金属D带中心位置和金属表面化学价)。因此，需要通过先进的表征和理论计算对SANIs原子-纳米体系进行催化条件下的电子效应原位探测。

特别是，为了弥补单原子催化剂(SACs)的不足(缺乏连续活性位点)，作者还提出设计纳米岛负载的双原子催化剂(DACs)或三原子催化剂(TACs)，甚至可以是最近由D Ma教授提出的完全暴露簇催化剂（FECCs）(详见图3)。

结论

总的来说，本综述首次提出了“单原子纳米岛(SANIs)”这一全新且通用的概念来描述上述新型的原子-纳米体系: 多相催化场中由金属单原子修饰的负载纳米团簇或负载量子点。新型SANIs可分为“一岛一原子”、“一岛多原子”和“岛海协同”三种架构。新型SANIs具有三方面的科学意义:“一岛一原子”结构中的“移动而不聚集”，“一岛多原子”结构中的密集位点协同，“岛海协同”结构中的双功能位点协同。SANIs催化剂在多种多相催化领域(即热催化、光催化、电催化)显示出广泛的应用前景和巨大的实用价值。

参考文献：Li, Z., Li, B., Li, Q. (2023). Single-atom nano-islands (SANIs): A robust atomic-nano system for versatile heterogeneous catalysis applications. Advanced Materials, 202211103.

https://doi.org/10.1002/adma.20