Electrocatalysis is important to the conversion and storage of renewable energy resources, including fuel cells, water electrolysers, and batteries. Engineering metal-based nano-architectures and their atomic-scale surfaces is a promising approach for designing electrocatalysts. Single metal atom interactions with substrates and reaction environments crucially modulate the surface electronic properties of active metal centers, yielding controllable scaling relationships and transitions between different reaction mechanisms that improve catalytic activity. Single-atom catalysts (SACs) allow activity and selectivity tuning while maintaining relatively consistent morphologies. SACs have well-defined configurations and active centers within homogeneous single-atom dispersions, producing exceptional selectivities, activities, and stabilities. Furthermore, SACs with high per-atom utilization efficiencies, well-controlled substrate compositions, and engineered surface structures develop single atom active sites for molecular reactions, enhancing mass activities. Recent developments in different metal-based SAC nanostructures are discussed to explain their remarkable bi-functional electrocatalytic activities and high mechanical flexibility, especially in the oxygen evolution reaction, oxygen reduction reaction, carbon dioxide reduction reaction, hydrogen evolution reaction, and in battery applications. Existing barriers to and future insights into improving SAC performance are addressed. This study develops practical and fundamental insights on single atom electrocatalysts directed towards tuning their electrocatalytic activities and enhancing their stabilities.

中文翻译：

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设计单原子催化剂以调整电化学还原和演化反应的性质

电催化对于可再生能源的转化和储存非常重要，包括燃料电池、水电解槽和电池。工程金属基纳米结构及其原子级表面是设计电催化剂的一种很有前途的方法。单金属原子与底物和反应环境的相互作用至关重要地调节活性金属中心的表面电子特性，产生可控的缩放关系和不同反应机制之间的转变，从而提高催化活性。单原子催化剂 (SAC) 允许在保持相对一致的形态的同时调整活性和选择性。SAC 在均质单原子分散体中具有明确定义的配置和活性中心，从而产生出色的选择性、活性和稳定性。此外，具有高每原子利用效率、良好控制的底物组成和工程表面结构的 SAC 为分子反应开发了单原子活性位点，从而提高了质量活性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。具有高每原子利用效率、良好控制的底物组成和工程表面结构的 SAC 为分子反应开发了单原子活性位点，从而提高了质量活性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。具有高每原子利用效率、良好控制的底物组成和工程表面结构的 SAC 为分子反应开发了单原子活性位点，从而提高了质量活性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。良好控制的底物组成和工程表面结构为分子反应开发了单原子活性位点，提高了质量活性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。良好控制的底物组成和工程表面结构为分子反应开发了单原子活性位点，提高了质量活性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。和工程表面结构为分子反应开发单原子活性位点，提高质量活性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。和工程表面结构为分子反应开发单原子活性位点，提高质量活性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。讨论了不同金属基 SAC 纳米结构的最新发展，以解释它们显着的双功能电催化活性和高机械柔韧性，特别是在析氧反应、氧还原反应、二氧化碳还原反应、析氢反应和电池应用中。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。以及电池应用。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。以及电池应用。解决了提高 SAC 性能的现有障碍和未来洞察力。这项研究对单原子电催化剂提供了实用和基本的见解，旨在调整其电催化活性并提高其稳定性。