摘要： 隨著對(duì)清潔能源需求的不斷增長(zhǎng)以及傳統(tǒng)催化劑的局限性日益凸顯，單原子催化劑（SACs）作為一種新型高效的催化材料受到了廣泛關(guān)注。Co?O?具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在眾多催化反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的活性。將Co?O?與單原子催化劑相結(jié)合，可以進(jìn)一步優(yōu)化其催化性能。本文綜述了Co?O?基單原子催化劑的設(shè)計(jì)策略，包括單原子的選擇（如過(guò)渡金屬原子等）、負(fù)載方法（物理吸附、化學(xué)鍵合等），詳細(xì)闡述了其在電催化析氫反應(yīng)（HER）、氧還原反應(yīng)（ORR）、析氧反應(yīng)（OER）和二氧化碳還原反應(yīng)（CO?RR）等電催化應(yīng)用中的研究進(jìn)展。同時(shí)，討論了目前面臨的挑戰(zhàn)，如單原子的穩(wěn)定性、活性位點(diǎn)的精確調(diào)控等，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

一、引言

在當(dāng)今社會(huì)，能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。電催化作為一種綠色、可持續(xù)的技術(shù)手段，在能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)方面具有巨大的潛力。例如，通過(guò)電催化可以實(shí)現(xiàn)水的分解制取氫氣，這是一種清潔的能源載體；還可以進(jìn)行二氧化碳的還原轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品或燃料，從而減少溫室氣體排放。傳統(tǒng)的電催化劑往往存在活性較低、選擇性較差等問(wèn)題。單原子催化劑由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子都可以作為獨(dú)立的活性位點(diǎn)，具有極高的原子利用率，在電催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。Co?O?是一種常見(jiàn)的金屬氧化物，具有合適的帶隙、豐富的表面氧物種等特性，在電催化反應(yīng)中有一定的活性基礎(chǔ)。將單原子引入到Co?O?基體中構(gòu)建Co?O?基單原子催化劑，有望進(jìn)一步提高其電催化性能。

二、Co?O?基單原子催化劑的設(shè)計(jì)

（一）單原子的選擇

1. 過(guò)渡金屬原子
   • 過(guò)渡金屬原子如Fe、Ni、Cu等常被用于構(gòu)建Co?O?基單原子催化劑。例如，F(xiàn)e原子具有可變的氧化態(tài)（+2、+3），其引入到Co?O?中后，可以通過(guò)與Co和O之間的電子相互作用改變局部的電子結(jié)構(gòu)。在析氫反應(yīng)中，F(xiàn)e單原子可以作為活性位點(diǎn)吸附氫氣分子并促進(jìn)質(zhì)子的還原過(guò)程。
   • Ni原子具有相對(duì)空的d軌道，能夠有效地吸附反應(yīng)中間體。在氧還原反應(yīng)中，Ni單原子可以降低反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)速率。
2. 非金屬原子
   • 稀土元素原子如Ce等也被研究用于Co?O?基單原子催化劑。Ce原子的4f電子結(jié)構(gòu)使其具有特殊的氧化還原性能。它可以調(diào)節(jié)Co?O?的氧空位濃度，從而影響催化劑的活性。

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