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金屬單原子(SAs)分散在固體載體上，能夠最大限度地提高原子利用效率。具有獨特電子結構和不飽和配位環境的活性中心的均勻分布是提高SA催化活性的關鍵。SA具有較高的表面能，在熱力學驅動下遷移并形成穩定的團聚體。在這種情況下，金屬原子和載體之間的強相互作用對于將SA鎖定為孤立形式至關重要。

然而，目前構建SA催化劑的方法涉及冗長的多步驟過程，并且實現具有高負載的SA仍然具有挑戰性。因此，在溫和的條件下開發高負載SA的簡便路線在實現經濟可行性和催化活性以及減少能源消耗方面具有很大的希望。

近日，南京大學鄒志剛、姚穎方、王冰和新加坡國立大學林志群等通過一個簡單的和通用的“激光種植”一步策略，在大氣溫度和壓力下，在包括碳黑(CB)、石墨烯量子點(GQD)、金屬和氧化物在內的各種基質上創建了高密度SA。

具體而言，激光脈沖被用來同時在基板上產生缺陷和將金屬前驅體分解成單個金屬原子；XAFS表明，這些缺陷通過增強金屬SA與周圍襯底原子之間的電子相互作用作為錨定位點束縛SA，并且由于激光脈沖能夠精確地將能量限制在所需的微觀區域，因此它具有較高的空間缺陷分布和良好的原子色散。

實驗結果表明，SA負荷達到了創紀錄的42 wt%。同時，不管組成金屬的物理化學性質如何，由多個金屬SA組成的高熵單原子(HESA)也可以很容易地被激光植入。由于多金屬協同效應，具有最小貴金屬負載(例如9 wt% Pt和Ir)的HESA組合物催化性能優于負載較高(例如18 wt% Pt)的單個貴金屬SA。

綜合實驗和理論研究表明，當HESA中金屬原子含量的分布類似于其在電催化火山圖中的催化性能分布時，可以獲得較好的催化活性。因此，最優的HESA催化劑在HER中表現出突出的質量活性，優于Pt SA和商業Pt/C。此外，HESA的高構型熵導致熵驅動的結構穩定，從而顯示出顯著的電催化耐久性，在反應過程中沒有明顯的電流衰減。

Room-Temperature Laser Planting of High-Loading Single-Atom Catalysts for High-Efficiency Electrocatalytic Hydrogen Evolution. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c02364

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