近年來，二維材料負載的金屬單原子催化劑 (SACs@2D) 在多相催化受到廣泛關注。SACs@2D具有確定的結構，精確定位的金屬中心，獨特的金屬-載體相互作用以及每個金屬原子具有相同的配位環境。得益於這些優點，SAC@2D既可作為理想的模型來研究催化中的基礎問題，又在實際應用中展示出令人矚目的表現。基於SACs@2D這一納米平臺，研究人員可以實現從原子水平上研究金屬-載體相互作用的關係，評估催化性能。
圖1. 金屬原子與二維材料結合的多元應用產物。
與之前關於單原子催化的綜述不同，深圳大學張晗教授團隊在本綜述論文中，不再是按照熱、電、光的三種催化模式進行分類，而是側重總結了單原子催化的應用，分別從催化製備高附加值化學品、能源轉化和環境保護三個方面就近年來的單原子催化研究新進展進行了總結和評估。這樣可以給讀者從應用角度設計SACs@2D這類催化劑提供了清晰的思路，同時文中在前景展望部分也指出了一些新興的應用，如可用於生物領域的單原子納米酶，這些都可以給讀者以有益的啟發，促進單原子催化領域的發展。
本綜述重心在三類應用，前言部分討論了二維材料與金屬單原子相結合的特性與優勢；然後總結了製備SACs@2D的方法並分析各種策略的優劣，著重介紹了一些新型而有效的方法如球磨法、蠶絲化學法等；接著從直接手段和間接手段歸納並分析評估了常見的SAC@2D的關鍵表徵技術。
在核心的應用部分，本文從SACs@2D催化的效果到反應機制都進行了討論，並對比了二維材料和三維材料的優劣：首先介紹了從SACs@2D催化製備高附加值化學品的一系列具有重要應用前景的反應，如芳香硝基化合物選擇性加氫製備偶氮苯、氧化偶氮苯等產物，炔烴和雙烯選擇性加氫製備單烯烴，多種偶聯反應制備高附加值的芳香化合物，苯分子氧化製備苯酚以及合成氨反應等；其次，從能源轉化角度，探討了SACs@2D在液體燃料製備的羰基加氫脫氧反應，產氫反應、產氧反應，氧氣還原反應等；此外，還從SAC@2D催化CO2固定，有機汙染物降解，CO消除等方面討論了其在環境保護方面的應用。在前景展望部分，文中列出了5點可以改進的方面，包括可以引入更多的新型二維材料作為載體來構築新型單原子材料、引入原位實驗來探究反應機理、拓寬在三大應用領域的反應來普及單原子催化、將SACs@2D引入生物、光學等領域來豐富其功能以及進一步優化製備工藝等，為二維材料負載的金屬單原子的發展提出了有益的指導。Versatile Applications of Metal Single‐Atom @ 2D Material Nanoplatforms
Bin Zhang, Taojian Fan, Ni Xie, Guohui Nie, Han Zhang
Adv. Sci., 2019, DOI: 10.1002/advs.201901787
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