原子级分散的单原子催化剂作为连接均相催化剂和多相催化剂的桥梁，兼具了二者的优点。目前已开发出数十种单原子催化剂，它们表现出在金属表面无法达到的催化活性和选择性。尽管单原子催化剂具有广阔的发展前景，但对于单金属的单原子相空间的分界的了解仍十分有限，更不用说针对更复杂的多金属相空间，从而导致单原子催化剂的开发仍然面临巨大挑战。加州大学尔湾分校忻获麟教授、厦门大学郑金成教授、天津理工大学罗俊教授等人采用溶解-碳化法合成了基于37种单金属元素的单原子催化剂，并对其进行了表征和分析，建立了目前报道的最大的单原子催化剂库。原子级分散的金属原子被锚定在N掺杂的碳上，结合原位研究，作者揭示了单原子的氧化态、配位数、键长、配位元素和金属负载的统一原理，以指导单原子催化剂的设计。利用该数据库，可为单原子催化剂的发展开辟出更多可能，如进一步应用于复杂的多金属体系单原子催化剂的合成。例如，作者利用单原子锚定位点作为结构单元，进一步合成了多达12种不同元素的单原子催化剂。该工作为单原子催化剂的合理设计提供了一个从单金属到复杂多金属材料的单原子库，并为SAC的发现和优化提供新的可能。相关工作以A single-atom library for guided monometallic and concentration-complex multimetallic designs为题在Nature Materials上发表论文。使用溶解-碳化法合成了单金属SACs库，包括37种不同的金属元素。通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜、能量色散光谱、X射线光电子能谱、基于同步辐射的软X射线吸收光谱(XAS)和X射线吸收精细结构光谱(XAFS)对所合成的SACs进行表征。单原子的局部配位环境决定了该SAC的催化性能。它包括金属原子与第一配位壳层原子的键长、配位数以及配位原子。如图2a、b所示，键长先是减小，然后增加，随后呈上下振荡。根据图2c、d，对SAC性质进行相关分析，发现键长与氧化态呈负相关关系，与配位数呈正相关关系。这一发现表明，氧化态越大，配位数越小，键长越短，反之亦然。为了理解氧和氮在锚定SAs中的复杂作用，通过原位XAFS和原位XPS，结合温度相关的热重分析、拉曼光谱和XRD，研究了SAC合成过程中的局部结构和键合演化。在原位研究中，选择了高电负性Mo作为例子，研究了Mo SAC的合成。随着温度的升高，钼酸铵首先转变为一个Mo原子与6个O原子配位的局部结构。随后，其他四个Mo-O键上的O原子依次被N或C取代，形成MoX2O (X=N或C)。最后，形成Mo价态为+4的MoC2X结构，经分析为MoC2N构型。进一步展示了具有中等电负性金属的Mn SAC的合成。Mn原子首先与6个O原子形成配位。随后，与Mo SAC的合成不同，Mn-O键在600℃时仍然存在于样品中。当温度升高到800℃时，Mn-O键消失，Mn-N键保留。XANES和EXAFS光谱证实了MnN4结构的形成。图4. 含12种不同金属元素的SAC的表征及OER性能该策略可以实现在一个样品中形成多金属元素的SACs。通过控制多种金属前驱体的种类和浓度，成功地获得了2种、8种甚至12种金属的SACs，并通过像差校正STEM成像和XAFS测量验证了它们的单原子结构。具有高金属负载的多金属SACs的合成极其困难，因为多金属SACs中的每个金属原子不仅要克服与相同原子发生聚集，而且必须克服与其他任何一个金属原子发生聚集。尽管如此，本文合成的基于12种金属的SACs的总金属负载达到7.53 wt%，是一个极高的数值。这些结果表明，以SA锚定位点作为结构单元来合成多金属SAC是高效的。A single-atom library for guided monometallic and concentration-complex multimetallic designs，Nature Materials，2022.https://www.nature.com/articles/s41563-022-01252-y
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