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單原子催化劑具有孤立的金屬原子作為活性位點,周圍固相載體的配位位點將其錨定。單原子金屬與載體之間存在強相互作用或相當大的電荷轉移,單一種類的金屬原子和載體協調作用以防止單一的金屬原子的原子擴散聚集成粒子。

由于其獨特的結構特性和完全暴露的活性位點，與納米催化劑相比,單原子催化劑在各種反應中表現出明顯的催化活性增強。使用金屬納米顆粒或大塊金屬作為起始前體來合成單分散的SACs。打破金屬納米顆粒或大塊金屬體相中的金屬鍵，釋放原子分散的金屬物種，并通過形成的單個金屬原子和支撐的錨固點之間建立新的牢固的鍵遷移和聚集。


采用自下而上法合成的步驟為以下三點：
1.根據載體的特性，選擇合適的單核金屬配合物作為金屬前體；
2.采取一些有效措施，如通過配位物種（N, P, S）對單個核金屬配合物進行空間隔離和限制遷移等，利用載體的缺陷捕獲載體，利用多孔材料的孔隙對載體進行空間限制，減緩載體的熱運動；
3.為了保證單原子催化劑的穩定，需要建立并保持金屬單個原子與載體配位原子之間的強相互作用或通過電子轉移達到鉚釘作用（往往需要金屬載體成鍵鍵合）。

金屬燒結還與溫度，時間，氣氛，金屬與載體種類有關。例如在氧氣氣氛下如金屬形成揮發性不高的金屬氧化物，其沿著載體表面擴散或通過金屬離子蒸汽從能量高的中心轉移到能量低的中心。同時金屬-金屬鍵能與金屬-載體間鍵合能量相對強弱，影響著金屬原子自晶粒脫離和在載體表面上擴散。
為了實現這一目標，載體需要具有豐富的配位點或缺陷來捕獲遷移的原子級別分散的金屬物種，并在金屬原子和配位位點之間建立強相互作用來抑制燒結。將納米顆粒轉化為單原子的關鍵是要創造合適的合成條件來打破納米顆粒的金屬-金屬鍵，并在單個金屬原子和載體的骨架之間形成新的化學鍵。


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