非均相催化劑能夠驅動石油精煉，化學聚合等液相或氣相過程反應。一般而言，非均相催化劑包括金屬氧化物等固體載體及負載于其上的顆粒狀Pt、Ru等金屬材料。
就目前所知，對于負載型催化劑而言，金屬顆粒尺寸越小越好。這是因為，能將原料轉化為商品的催化活性位點存在于固體表面，催化劑內部不與反應物接觸的金屬成分并不參與反應。因此，催化劑制造者需要非常精細地分散金屬，達到納米級別。其目的在于：最大化地暴露金屬顆粒的活性位點，提高催化活性，降低成本。
實際上，這些金屬顆粒的尺寸和形貌有一個很大的變化范圍，金屬顆粒沒有被最大效率地使用。另外，不均勻性常常會導致副產物，這使得精確地確認和控制活性位點非常困難。
相反地，單原子催化劑則宣告了金屬使用率的極限——每個單獨的原子都是一個活性位點！簡化的體系為研究人員提供了一個更容易探索反應機理的路徑，無論從實驗上還是理論計算上，都為研究人員合成更好的催化劑提供了絕佳的指導。
張濤 院士 圖片來源于C&EN
然而，五年前，如果你說你要將孤立的單個原子固定在固體載體表面，利用單原子來進行催化，估計會被大多數人認為是天方夜譚！一方面，單個原子作為催化活性位點不被看好；另一方面，單個原子如何穩定？
首要的一個問題就在于，單原子催化劑的制備并不容易。因為單個原子非常活潑，表面能很高，很難穩定地保持單獨分散，往往會和其他原子聚集在一起。另兩個重要的挑戰在于：如何表征以及單原子催化能否有效催化化學反應？
概括起來說，單原子催化劑面臨的三座大山分別是：1）制備；2）表征；3）催化應用及其機理研究。
TuftsUniversity的E. Charles H. (Charlie) Sykes團隊的一項研究為這個領域帶來了強大的動力：在真空環境中加熱Pd，利用Cu表面捕獲蒸發出來的單個金屬原子。由于兩種金屬的性質差異以及形成合金的趨勢，孤立的Pd原子可以以極低的濃度穩定存在于Cu表面。這個體系中，單原子Pd是通過掃描隧道顯微鏡證明的。
研究發現，Pd-Cu體系在有機化合物的氫化反應中表現良好。特別地，研究人員發現H2分子在單個Pd原子位點發生吸脫附，釋放出H原子，溢流到裸露的Cu表面區域。由于Cu結合H原子的能力非常弱，使得H原子能夠在Cu表面隨意移動，和有機分子充分接觸并發生反應。
研究團隊還發現，催化劑能夠分別選擇性氫化乙炔和苯乙烯成為乙烯和苯乙烷。但是，當增加Pd的濃度，原子會發生團聚，形成小型的Pd島狀結構，Pd-Cu體系失去了選擇性，從而證明了單原子的特殊優勢。
Cu表明單原子Pd分解H2以及H原子的溢流
參考文獻：Georgios Kyriakou, Charles H. Sykes et al. Isolated Metal Atom Geometries as a Strategy for Selective Heterogeneous Hydrogenations. Science 2012, 335, 1209-1212.
中科院大連化物所的張濤院士也是這個領域的先驅之一。張濤課題組和清華大學李雋課題組，亞利桑那州立大學（Arizona State University，目前工作單位）劉景月課題組合作發展了一種濕化學共沉淀方法，巧妙地調整溫度，pH等參數，成功制備得到了鐵氧化物納米晶負載的單原子Pt，并通過原子分辨的電鏡技術證明孤立的單原子Pt的存在。
研究人員將這個Pt-FeOx體系應用于各種CO氧化環境中，包括汽車尾氣凈化和燃料電池領域。研究發現，和其他Pt、Au納米催化劑相比，單原子催化劑的活性至少要高2-3倍，并且在反應條件下可以保持較好的穩定性。
單原子催化劑Pt1/FeOx催化CO氧化
參考文獻：Botao Qiao, Jingyue Liu, Jun Li, Tao Zhang et al. Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx. Nature Chemistry 2011, 3, 634–641.
在這些開創性研究之后，研究者們熱情高漲，全速前進。一系列具有更多種類和復雜性的催化劑制備方法、表征技術以及催化反應應用研究在催化的土地上開枝散葉。
Swiss Federal Institute of Technology (ETH)的Javier Pérez-Ramírez課題組發展了一種膠體化學方法，通過廉價的多孔C3N4將單個Pd原子錨定在孔中。這種Pd-C3N4材料可以快速將己炔轉化為己烯，相比于該反應的標準工業催化劑，或者其他氫化反應用的Pd、Au納米催化劑，選擇性和產率都更高，。
C3N4上原子級分散的單原子Pd和Al2O3上團聚的Pd顆粒
參考文獻：Gianvito Vilé, Núria López, Javier Pérez-Ramírez et al. A Stable Single-Site Palladium Catalyst for Hydrogenations. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11265-11269.
廈門大學鄭南峰團隊利用光化學法在室溫條件下制備出Pd負載量高達1.5%的穩定的原子級分散Pd1/TiO2催化劑。
研究發現，這種單原子Pd1/TiO2催化劑能夠通過不同于傳統異相催化劑的異裂分解新路徑活化氫氣，對C=C和C=O雙鍵的氫化表現出很好的活性。該催化劑催化氫化苯乙烯的TOF是商業Pd/C催化劑的9倍。而且，歷經20次循環之后，催化劑活性并沒有發生明顯降低。
另外，研究人員還發現，由于這種獨特的活化氫氣的路徑，使得該單原子Pd1/TiO2催化劑催化氫化苯甲醛具有超高活性，其TOF是商業Pd/C催化劑的55倍！
原子級分散Pd1/TiO2催化劑的形貌與結構
參考文獻：Pengxin Liu, Yun Zhao, Gang Fu, Nanfeng Zheng et al. Photochemical route for synthesizing atomically dispersed palladium catalysts. Science, 2016, 352, 797-800.
新墨西哥大學（University of New Mexico）的Abhaya K. Datye課題組打破思維定勢，以一種常規條件下可能摧毀Pt納米催化劑的方法，意外得到了單原子Pt負載的催化劑。
研究人員將Pt納米顆粒置于熱氧化條件下，形成不穩定的PtO2，并從納米顆粒脫附。這一步驟往往會導致催化劑失活，而研究人員卻出其不意地看上了這種移動提供Pt原子的現象，利用CeO2表面將其捕獲，得到了穩定的，高活性的氧化催化劑。實驗表明，Pt-CeO2催化劑在催化CO氧化過程中可以保持穩定，不發生團聚。
Pt納米顆粒經高溫處理，原子級遷移并被捕獲到CeO2
參考文獻：John Jones, Haifeng Xiong, Abhaya K. Datye et al. Thermally stable single-atom platinum-on-ceria catalysts via atom trapping. Science 2016.
但是，單原子催化劑主要進展都發生在貴金屬領域。在催化領域的廣闊天地中，制備更廉價的非貴金屬催化劑還是得跟進。因此，科學家試圖將C、N和儲量豐富的單原子Fe、Co等相結合，該領域一直進展較慢，主要是因為活性位難以捉摸。
有鑒于此，張濤團隊近來發展了一種單金屬原子的Co-N-C催化劑。這種方法需要將Co前驅體沉積到固體載體，然后利用硝酸去除載體。研究人員發現，這種原子級分散的催化劑具有復雜的活性和選擇性，能夠高效催化硝基化合物氫化偶聯成芳香偶氮化合物，這些反應在染料和醫藥中間體制造工業中尤為重要。這項研究工作對于更深入理解活性位點，指導研究人員設計更好的催化劑提供了很好的幫助！
原子級分散Co-N-C催化劑
參考文獻： Wengang Liu, Aiqin Wang, Tao Zhang et al. Single-atom dispersed Co–N–C catalyst: structure identification and performance for hydrogenative coupling of nitroarenes. Chem. Sci. 2016, 7, 5758-5764 .
僅僅是在幾年前，負載型單原子催化劑聽起來還是那么科幻，如今，研究人員已經開始著手研究單原子催化劑的大規模生產，不可謂之不神速！正所謂撒豆成兵，單原子催化劑將金屬利用率做到了極限，期待其為催化產業帶來新的增長動力！
為滿足大家對單原子催化的需求，我們將在后續推出單原子催化劑的系列專輯，敬請期待！
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Mitch Jacoby. Taking catalysis to the atomic limit. C&EN 2016, 94, 26-29.
