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单原子催化剂（SACs）是几十年电催化剂设计的最终目标，因为它们能够在原子水平上控制活性位点。单原子催化剂是极具吸引力的催化材料，因为每个原子都暴露在电解质中并可用于催化。这对于最大限度地利用稀有和昂贵的贵金属尤为重要，因为贵金属通常是最具电催化活性的。由此产生的高电化学活性表面积使质量活性提高了两个数量级以上。
图1 单原子催化剂中的金属-载体相互作用
迄今为止，单原子催化剂的研究主要集中在单原子活性金属上。然而，研究人员开始意识到载体材料在单原子催化剂催化性能中的重要性。早期的研究主要集中在碳基载体上，这使得在透射电子显微镜和X射线表征中能够直接识别较重的单个原子。这些成功使研究人员找到了其他二维载体，如金属氧化物和硫化物。将单原子引入金属基材料揭示了与相对被动的碳相比，在催化过程中具有主动作用的载体优势。
随着更先进单原子催化剂结构的发展，由于金属和载体原子之间的协同作用，人们观察到了独特的性能，而这种协同作用不能仅通过电子相互作用来解释。这种性能的提高是因为金属和载体都直接参与了催化机理。通过金属-载体相互作用调节单原子催化剂催化性能的机会是单原子催化剂的优势之一，由于它们与载体的直接结合，对单个原子产生了强烈的影响。活性位点也可以通过助催化来调节，助催化直接利用相邻的载体原子来结合反应物质。
图2 单原子在水转化技术中的金属-载体相互作用
