均相催化劑的活性中心均一，易于確立均相催化劑與反應底物的吸附關系。因此，與多相催化體系相比，均相催化體系更能有效幫助理解催化反應的機制。然而，均相催化劑存在一個大問題：不穩(wěn)定。
例1，Suzuki偶聯反應中常用到二價鈀鹽作為均相催化劑，而反應中常常需要引入碳酸鈉等堿源輔助反應進行。碳酸鈉經過水解，會與二價鈀鹽反應生成氫氧化鈀，使反應的活性物種發(fā)生變化。如果催化反應前后，催化劑發(fā)生變化，那么究竟是原始的催化劑起的催化作用，還是變化之后起的催化作用呢？相比之下，多相催化劑的結構較為穩(wěn)定。但多相催化體系由于尺寸效應，載體效應，表界面效應等諸多影響因素使反應活性中心難以確認，給催化機理的研究帶來了困難。
例2，即使看似十分簡單的反應——催化氧化一氧化碳，在傳統(tǒng)負載型催化劑體系中企圖解釋反應的分子機制也仍然十分困難。在過去二十年間，已有上千篇文獻報道負載型的金納米催化劑在一氧化碳氧化中可能的作用機制，其他貴金屬基負載型納米催化劑在這一反應中的文獻報道就更多了。使用傳統(tǒng)負載型催化劑的機理研究中諸多科學問題至今尚未有統(tǒng)一的定論：如活性中心的指認，反應機理的確定，催化劑“構-效”關系的揭示等。一氧化碳催化氧化作為被廣泛研究的模型催化體系尚且難以被徹底認識，其他復雜反應的機理研究需要更為漫長的探索。基于此，模型催化劑的構建，尤其是能在分子尺度上深入理解催化機制的催化劑體系，是解決這一類基礎科學問題的重要基礎。
單原子分散催化劑作為連接均相催化劑和多相催化劑的橋梁，兼具了兩者的優(yōu)點。
（1）具有多相催化劑穩(wěn)定、易于與反應體系分離、方便反應體系表征的優(yōu)點。
（2）具有均相催化劑活性中心結構均一、活性中心原子利用率百分之百、活性中心原子配位數低等優(yōu)點，為催化機理研究提供了理想的模型體系。
2000年以來，單原子分散催化劑越來越受到催化、材料、化學等領域的研究者們的重視，主要源自其以下3個結構特點。
1. 原子利用率100%
在催化研究中，有一個與催化劑催化活性評價直接相關的參數：金屬分散度 (metal dispersion)。金屬分散度一般用大寫的D表示，指催化劑表面的活性金屬原子數與總金屬原子數之比。顯而易見，D值一般小于1。金屬分散度和負載型納米催化劑中金屬納米顆粒的比表面積及金屬納米顆粒的大小相關。一般來說，球狀的金屬納米顆粒越小，金屬分散度越大；不同形貌的金屬納米顆粒比表面積越大，金屬分散度越大。因為只有暴露在表面的原子才能接觸到催化反應體系，所以，在相同金屬負載量的情況下，金屬分散度高的催化劑一般催化活性較高。
當D=1時，所有的活性金屬原子均暴露在表面，金屬的利用率達到最大，為100%。單原子分散催化劑的金屬分散度等于1，使單原子分散催化劑具有巨大的潛在應用前景。
圖1. Pt1/FeOx單原子分散催化劑的HAADF-STEM表征和密度泛函建模
2. 活性中心結構均一
在表面科學中已經證實，棱，拐點，缺陷等位點對催化反應有著截然不同的影響。在傳統(tǒng)的負載型納米催化劑中，同樣是暴露在表面的原子，化學環(huán)境也可能完全不同，這給反應活性中心的指認帶來了困難。
圖2. 薄膜表面terrace-step-kink (TSK)模型
單原子分散催化劑的活性中心十分均一。單原子分散催化劑的活性中心不存在金屬-金屬鍵，單原子與載體間通過氧原子 (或其他原子) 相連形成金屬-氧鍵。所有的活性中心化學環(huán)境相同，簡化了催化劑的結構模型，使理論模型的搭建和催化活性的考察都更為清晰簡明，有利于深刻認識催化反應的分子機制。
有報道稱，在傳統(tǒng)的負載型納米催化劑中真正的催化活性物種是單原子分散的物種。Maria F. Stephanopoulos教授課題組在紫外光照法制備了負載型的納米Au催化劑之后，使用氰酸根選擇性刻蝕零價的Au納米顆粒，只留下原子級別分散的Au-OHx物種。刻蝕前后的催化劑在催化水煤氣轉化反應中活性幾乎一樣。這說明Au納米顆粒對這一反應實際上沒有貢獻，而所有的活性都來源于單原子Au。因此刻蝕之后的催化劑的轉換頻率 (turnoverfrequency，TOF) 值遠高于刻蝕之前的催化劑。通過這一實驗，復雜的負載型納米催化劑與簡化的單原子分散催化劑的差別一目了然。單原子分散催化劑中，均一的活性位點為催化活性中心的指認提供了方便。
圖3.低溫水汽轉換反應的TPSR圖（加熱速度：5 K/min；氣氛：含有10% CO，3% H2O的He；樣品質量：100 mg）
3. 活性中心原子配位數低
由于鉑族金屬鉑(Pt)、鈀(Pd)、釕(Ru)、銠(Rh)、銥(Ir)、鋨(Os)等貴金屬的d電子軌道未填滿 (除鈀外)，其納米顆粒的表面易吸附反應物，利于形成反應的活性中間體，因此貴金屬納米催化劑具有較好的催化活性。活性中心原子的配位越不飽和，與底物分子接觸的幾率就越大，越具有高催化活性。
單原子分散催化劑的活性中心原子一般配位數低于六。通過取代金屬氧化物載體中的金屬位點，或處在沸石的空腔內，單原子分散催化劑的活性中心原子具有高度配位不飽和的結構特征。配位數偏低不僅能夠導致更多催化底物吸附的機會，也能在一些催化體系中影響催化反應實際發(fā)生的歷程，使單原子分散催化劑的催化活性大幅度提高。與傳統(tǒng)的負載型納米催化劑的表面原子相比，單原子分散催化劑高度不飽和配位的活性中心原子的催化活性高數倍，甚至數十倍。
圖4. NaY 沸石結構中單原子Au的配位情況
結構決定性質，單原子催化劑的這些特殊結構賦予其什么樣的特殊性質？如何起作用？下一次，我們將介紹單原子催化劑的兩個基本性質。
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