高性能電催化劑是多種清潔能源相關裝置的核心部件，對解決全球性能源環境問題，構建可持續發展的能量循環體系至關重要。單原子催化劑因其具有最大化的原子利用效率和極高的催化性能，近年來在電催化領域備受關注。雖然此類電催化劑的活性多源自於載體上孤立的金屬原子對反應中間體的吸附，但活性位點並不能簡單地視爲單個原子。對於特定的金屬單原子，其催化活性與周圍毗鄰的配位原子環境息息相關。由於金屬尺寸縮小至原子級，其電子結構受周圍環境的影響達到了最大化，這使得通過配位環境精確調控金屬單原子的電子結構，實現高性能電催化劑的理性設計成爲可能。石墨烯等納米材料具有獨特的二維有序結構、較高的比表面積以及可調變的物理化學特性，有助於實現單原子位點在其表面的密集分散和電子結構調節，因此十分適合作爲單原子點催化劑的載體。

近期，天津大學範曉彬教授課題組就基於二維納米材料的單原子電催化劑如何通過電子結構調變實現催化性能增強方面的主要研究成果進行了歸納總結。作者首先介紹了從石墨烯、氮化碳、金屬有機框架材料、共價有機骨架材料等前驅體出發製備單原子電催化劑的主要方法，並分析了不同方法在實現單原子電催化劑的可控合成及電子結構調變方面的優缺點。其次，作者介紹瞭如何通過結合先進表徵技術和理論計算來鑑別單原子的配位環境，並揭示配位環境變化對金屬中心電子結構的顯著影響。隨後，作者對當前單原子電催化劑的電子結構調變方法進行了分類總結，並對其中的機理進行了討論：即（1）改變單原子的局部配位環境；（2）調節單原子在載體上的相對位置（負載在載體的邊緣或基面）；（3）改變單原子周邊的長程原子環境。在此基礎上，作者基於電催化氧還原反應（ORR）、析氫反應（HER）、析氧反應（OER）和二氧化碳還原反應（CO2RR），進一步總結了通過電子結構調變引起的催化性能提升機理。最後，作者對今後單原子電催化劑研究的發展方向進行了展望。作者認爲，原子級多金屬位點的協同催化、高精尖的原位分析表徵和更精確的理論計算將會在單原子催化劑的電子結構調變及活性增強方面發揮更加重要的作用。

該文章“Modulating the Electronic Structure of Single-Atom Catalysts on 2D Nanomaterials for Enhanced Electrocatalytic Performance”在線發表在Small Methods上（https://doi.org/10.1002/smtd.201800438）。