現代工業快速發展的同時也帶來了日益嚴峻的能源與環境問題，可持續能源的應用為這兩大問題的解決帶來了新的機遇，而發展高效廉價的催化劑對能源轉化來說至關重要。特別的，碳基負載的過渡金屬單原子催化劑因具有接近100%的原子利用率，在電化學能量存儲與轉化方面的高效性（如氧還原、析氧、析氫和CO2還原反應等）等特點，已經成為一種獨特的電催化體系。
單原子催化劑在能源催化轉化領域的應用
（來源X-MOL）
在 SACs 眾多載體中，碳基具有優秀的性能，例如價格低廉、結構多樣、穩定性優異、電導性良好等，被廣泛用作 SACs 的載體物質。碳基載體能夠引入雜原子錨定位點，固定金屬單原子；雜原子摻雜的碳還能夠對 ORR 電催化過程起到積極作用。主要特點如下：
1. 碳骨架具有良好的導電性，而且由于金屬原子和相鄰的碳原子之間強烈的界面相互作用，會改變金屬原子的電荷密度和電子結構。
2. 界面的相互作用，促進相鄰碳原子形成額外的活性位點。
碳材料被優選電催化劑的載體，包括碳納米球、納米碳纖維、石墨烯、金屬有機框架衍生碳、共價三嗪框架、氮化碳和酞菁衍生碳等。
各類碳載體
此外，炭黑、殼聚糖、單氰氨、雙氰胺、三聚氰胺和卟啉等也可以制備出也是一類很有潛力的高效 CRR 和 HER 催化劑的碳基載體。
? 熱解
通過在受控氣氛（即N2，NH3，Ar或H2）的保護下高溫熱分解選擇的前驅體，從而制備碳基單原子催化劑。
? 濕化學合成
通過濕化學法制備得到的單原子催化劑，涉及到兩種略微不同的步驟。第一種是基于金屬中心與碳基材料中的N，O或S配位點之間的螯合作用，該方法也已用于制備Pt-C3N4和Ru-C3N4單原子催化劑。另一種方法利用客體分子和碳基主體材料之間的共價鍵，π-π堆積或靜電相互作用形成主客體結構。
? 物理和化學氣相沉積
單原子的形成也可以通過將原子物質沉積到選定的載體基質上來實現，例如原子層沉積（ALD）和化學氣相沉積（CVD）。
? 電化學沉積
電化學沉積是指在外電場作用下電流通過電解質溶液中正負離子的遷移并在電極上發生得失電子的氧化還原反應而形成鍍層的技術。具體而言，陰極沉積是還原過程；而陽極沉積是氧化過程。
? 石墨烯空位導向合成
該方法需要兩個關鍵步驟；首先是通過高能原子/離子輻射產生石墨烯空位，并通過能量密度控制空位數；第二種是通過良好控制的濺射或聚焦離子束，用選擇的金屬原子，例如Au，Pt，Fe，Co和In，來填充石墨烯空位。
在金屬單原子催化劑中，主要是Pt、Pd、Fe、Co、Ni和Cu等。然而，在第一個非金屬類SACs的例子出現之后，人們逐漸在將SACs概念運用在更廣泛的元素范圍內，有相當數量的例子存在于堿金屬、早期過渡金屬、鑭系元素、過渡后金屬、金屬和非金屬。
碳基單原子催化劑是一種新穎，低成本而高性能的催化劑，在電化學能量轉換與儲存中有著重要應用。富含缺陷位和雜原子的類石墨化碳材料具有大量的鍵合結構及配位點，它們可以強有力的將金屬原子錨定在碳骨架中，有效地解決金屬原子因高表面自由能而引起的易聚結問題。未來的碳基單原子催化劑會對催化性能產生深刻的影響。
