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作者与机构
本文的主要作者包括Yongxia Wang、Xiangzhi Cui、Jinqiang Zhang、Jinli Qiao、Haitao Huang、Jianlin Shi和Guoxiu Wang。他们分别来自东华大学（Donghua University）、上海污染控制与生态安全研究所（Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security）、悉尼科技大学（University of Technology Sydney）、中国科学院上海硅酸盐研究所（Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences）以及香港理工大学（Hong Kong Polytechnic University）。本文于2022年4月22日在线发表于《Progress in Materials Science》期刊，卷号为128，文章编号为100964。
主题与背景
本文的主题是原子分散催化剂（Atomically Dispersed Catalysts, ADCs）在能量存储与转换应用中的研究进展。随着可再生能源的快速发展和环境问题的日益突出，提高能量转换效率并实现资源的高效利用成为迫切需求。尽管在过去几十年中取得了显著的研究进展，但催化剂的高成本和低转换效率仍然是阻碍其广泛应用的关键问题。原子分散催化剂因其独特的结构特征和最大化的原子利用率，能够桥接异相催化和均相催化之间的鸿沟，逐渐成为催化剂领域的研究前沿。本文系统综述了从单原子到团簇的原子分散催化剂在合成方法、稳定策略、性能评估、机理理解以及实验与理论结合研究方面的最新进展，并展望了未来的研究挑战与发展方向。
主要观点与论据
1. 原子分散催化剂的分类与特性
原子分散催化剂根据中心金属原子的数量可分为单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）、双原子催化剂（Double-Atom Catalysts, DACs）和团簇催化剂（Clusters）。单原子催化剂因其独特的结构和电子特性，在典型的电化学反应中表现出特定的催化性能。双原子催化剂由两个相邻的原子组成，具有高度活性的原子界面，通常表现出独特的催化性质。团簇催化剂由几个到几十个原子组成，具有金属核心和周围保护配体，能够提供多个活性位点并优化氧化态，从而在能量转换反应中表现出优异的催化性能。
原子分散催化剂的合成策略
本文详细介绍了单原子、双原子和团簇催化剂的合成策略。对于单原子催化剂，合成方法包括自上而下策略（如高温热迁移）和自下而上策略（如原子层沉积、湿化学法和热解法）。双原子催化剂的合成方法则包括缺陷锚定策略和金属有机框架（MOFs）衍生法。团簇催化剂的合成方法包括原子层沉积、固体还原法和配位化学法等。本文还特别强调了通过调控前驱体和基底的选择，实现催化剂的高效合成和稳定化。
原子分散催化剂的稳定策略
原子分散催化剂的稳定性是其应用的关键。本文总结了通过基底和配体增强催化剂稳定性的策略。基底的选择对催化剂的稳定性至关重要，常用的基底包括二维纳米材料、碳氮化物和金属氧化物。配体（如氮、氧等杂原子和有机配体）能够通过与金属原子的配位作用，防止金属原子的迁移和聚集。此外，缺陷锚定策略和限域策略也被广泛应用于增强催化剂的稳定性。
原子分散催化剂在能量存储与转换中的应用
原子分散催化剂在典型的能量存储与转换应用中表现出优异的催化性能，包括燃料电池和金属-空气电池中的氧还原反应（ORR）、水分解中的氧析出反应（OER）和氢析出反应（HER）、二氧化碳还原反应（CO2RR）和氮还原反应（NRR）。本文通过实验和理论相结合的研究，深入探讨了原子分散催化剂在这些反应中的催化机理和性能优化策略。
未来研究挑战与发展方向
尽管原子分散催化剂在能量存储与转换领域取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，如何实现催化剂的高效合成和稳定化，如何通过理论计算和实验相结合的方法深入理解催化机理，以及如何将原子分散催化剂应用于大规模工业化生产。未来的研究应重点关注这些挑战，并开发新的合成策略和表征技术，以推动原子分散催化剂的进一步发展。
意义与价值
本文系统综述了原子分散催化剂在能量存储与转换领域的最新研究进展，为相关领域的研究者提供了全面的参考资料。通过总结原子分散催化剂的合成策略、稳定策略及其在典型能量转换反应中的应用，本文不仅为催化剂的优化设计提供了理论指导，还为未来研究指明了方向。此外，本文还强调了实验与理论相结合的研究方法在揭示催化机理中的重要性，为催化领域的进一步发展提供了重要思路。
亮点
本文的亮点在于其全面性和系统性。首先，本文涵盖了从单原子到团簇的原子分散催化剂，详细介绍了其合成策略、稳定策略及其在能量存储与转换中的应用。其次，本文通过实验与理论相结合的研究方法，深入探讨了原子分散催化剂的催化机理和性能优化策略。最后，本文还展望了未来研究挑战与发展方向，为相关领域的研究者提供了重要的参考和启示。