Challenges and Perspectives of Single-Atom-Based Catalysts for Electrochemical Reactions

瓶颈 催化作用 电化学 纳米技术 Atom(片上系统) 材料科学 机制(生物学) 金属 组合化学 化学物理 计算机科学 化学 电极 物理 物理化学 有机化学 嵌入式系统 冶金 量子力学
作者
Jiazhan Li,Chang Chen,Lekai Xu,Yu Zhang,Wei Wei,Erbo Zhao,Yue Wu,Chen Chen
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:3 (3): 736-755 被引量:125
标识
DOI:10.1021/jacsau.3c00001
摘要

Single-atom catalysts (SACs) are emerging as the most promising catalysts for various electrochemical reactions. The isolated dispersion of metal atoms enables high density of active sites, and the simplified structure makes them ideal model systems to study the structure-performance relationships. However, the activity of SACs is still insufficient, and the stability of SACs is usually inferior but has received little attention, hindering their practical applications in real devices. Moreover, the catalytic mechanism on a single metal site is unclear, leading the development of SACs to rely on trial-and-error experiments. How can one break the current bottleneck of active sites density? How can one further increase the activity/stability of metal sites? In this Perspective, we discuss the underlying reasons for the current challenges and identify precisely controlled synthesis involving designed precursors and innovative heat-treatment techniques as the key for the development of high-performance SACs. In addition, advanced operando characterizations and theoretical simulations are essential for uncovering the true structure and electrocatalytic mechanism of an active site. Finally, future directions that may arise breakthroughs are discussed.
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