單原子材料專輯

單原子材料是一類以相互孤立的單個金屬/非金屬原子作為催化活性位點的負載型催化材料，因其獨特的化學結構，展現(xiàn)出高原子經(jīng)濟性和高催化活性等特征。近年來，隨著合成方法以及材料精細結構表征技術的不斷革新，單原子材料得到了迅速發(fā)展，并被廣泛應用于能源環(huán)境、生命健康等領域，尤其在人工氨合成、CO2還原、光/電解水制氫、膜分離、癌癥治療、生物傳感、電化學儲能以及機器學習等方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。此外，隨著材料精細結構表征技術的不斷涌現(xiàn)和原位研究方法的持續(xù)創(chuàng)新，進一步促進了單原子材料的基礎與應用研究，并加深了化學科學與催化、材料、能源、環(huán)境、物理和生物等學科間的交叉融合。

基于單原子材料蓬勃發(fā)展的態(tài)勢及在能源環(huán)境等方面的諸多突破性進展，我們策劃組織了本期“單原子材料”專輯，共包含14 篇綜合評述，系統(tǒng)介紹了單原子材料在合成策略、結構設計、表征技術、機理探究、應用開發(fā)（電化學能源轉化與存儲、生物醫(yī)學及催化）等方面的研究進展，力求能夠客觀、準確、全面地為讀者呈現(xiàn)近年來單原子材料研究領域的前沿問題與主要挑戰(zhàn)。

在發(fā)展面向工業(yè)應用的單原子材料合成策略方面，清華大學王定勝教授及其合作者系統(tǒng)介紹了近年來單原子催化劑的穩(wěn)定化策略、高載量催化劑的制備方法以及批量制備技術等方面的關鍵研究進展，分析了單原子催化劑未來發(fā)展過程中面臨的問題與挑戰(zhàn)，并展望了單原子催化的發(fā)展方向。

在開發(fā)新穎結構單原子材料研究方面，蘇州大學孫啟明教授及其合作者總結了近年來利用分子篩的空間限域作用穩(wěn)定單原子材料的合成策略，以及其在多相催化、氣體分離等方面的最新研究進展。此外，基于石墨炔與金屬原子之間獨特的不完全電荷轉移性質，石墨炔載體可實現(xiàn)對零價過渡金屬原子的穩(wěn)定錨定，山東大學的薛玉瑞教授及其合作者從材料結構性質、表征及應用等方面，系統(tǒng)介紹了石墨炔單原子材料在電催化固氮、制氫和CO2固定等方面的最新研究成果和發(fā)展前景。在開發(fā)具有異原子配位結構的碳基單原子材料方面，北京科技大學萬家煒和于然波教授團隊綜合評述了具有異原子配位結構碳基單原子電催化劑的合成策略、表征技術方法，以及其在前沿能源電催化應用中的構效關系，并展望了異原子配位結構碳基單原子電催化劑的研究前景。

單原子材料的理性設計是相關研究成敗的關鍵，香港理工大學黃勃龍教授及其合作者系統(tǒng)介紹了利用密度泛函理論和機器學習方法，篩選高效的石墨炔基原子催化劑的最新成果，為未來設計新型原子催化劑提供了新穎的思路與策略。鄭州大學張佳楠教授及其合作者圍繞面向質子交換膜燃料電池技術的M-N-C 單原子催化劑，總結了各種有利于原子分散的M-N-C 催化劑的制備方法，以及不同催化劑中原子的化學環(huán)境調控對催化位點的影響，并從材料的合成與表征、反應機理以及密度泛函理論計算等方面進行了深入探討，著重討論了雙金屬位點、原子簇結構和雜原子對催化位點的化學環(huán)境調控，提出了原子分散M-N-C 催化劑的大規(guī)模應用存在的問題及進一步優(yōu)化的發(fā)展方向。

針對單原子材料的傳統(tǒng)應用方向，山東大學熊勝林教授及其合作者系統(tǒng)介紹了電催化氧還原單原子催化劑的分子級結構調控策略及最新研究成果，并展望了未來的發(fā)展方向和挑戰(zhàn)。北京理工大學李煜璟教授及其合作者從材料的設計理念、合成方法和表征方法3 個方面綜合評述了單原子催化劑在電化學氫循環(huán)應用中的研究進展。湖南大學費慧龍教授及其合作者系統(tǒng)介紹了面向能源電催化應用的自支撐單原子膜電極的最新研究成果，總結了自支撐單原子膜電極的優(yōu)勢及其合成方法，包括自支撐基底上原位制備法、靜電紡絲法、自組裝法、化學氣相沉積與固相擴散法等，并介紹了其在析氫反應、析氧反應、電化學制雙氧水反應、鋅空電池、二氧化碳還原反應以及鋰硫電池中的應用。此外，在電化學儲能方面，哈爾濱工業(yè)大學張乃慶教授及其合作者分別從正極、負極和隔膜/中間層3 個方面系統(tǒng)介紹了單原子催化劑在鋰硫電池中的研究成果，并展望了該領域的發(fā)展方向與重要挑戰(zhàn)。

在探索開發(fā)單原子材料新性質、新功能方面，中國科學院化學研究所孫曉甫教授和韓布興院士團隊詳細討論了過渡金屬、主族金屬單原子材料在電催化CO2還原方面的研究進展。中南大學熊禹教授及其合作者總結了單原子材料在光催化CO2 還原應用中的最新研究成果，介紹了不同載體的單原子催化劑的典型研究成果，并展望了未來的研究方向。此外，單原子材料因其獨特的配位結構展現(xiàn)出了優(yōu)異的類酶活性，華東師范大學朱成周教授及其合作者概述了單原子類酶材料在癌癥治療、抗氧化治療、抗菌以及生物傳感等方面的應用，并對單原子類酶材料的發(fā)展前景進行了展望。開發(fā)具有多功能的單原子材料有利于拓展新的應用領域，西北工業(yè)大學韓云虎教授及其合作者綜合評述了近年來具有雙功能性質的單原子材料在電化學領域中的最新應用研究成果，討論了該方向存在的關鍵問題，并展望了未來的發(fā)展前景。

我們希望本專輯能夠為單原子材料領域的研究者，以及化學科學、材料科學、能源科學、環(huán)境科學、生命科學和信息科學等與之相關領域的讀者提供一個傳播、分享與討論的平臺，以期能夠促使更多的科學家參與到單原子材料領域的研究之中，提高對單原子材料的科學認識，加強單原子材料的基礎研究和應用研究。

我們非常榮幸能夠作為此專輯的客座編輯，與廣大讀者分享單原子材料領域的前沿科學知識和眾多專家學者獨特的學術見解。在此，我們謹向此專輯的作者、審稿人、《高等學?；瘜W學報》的編輯團隊以及相關單位與個人致以誠摯的感謝！