单原子催化剂通常是指以孤立的金属原子作为活性中心分散于载体上的催化剂。这种催化剂完美地继承了均相催化剂和非均相催化剂的优势,凭借其100%的原子利用率,定义明确且分布均匀的活性中心,高原子活性,容易分离回收且高耐受性等优势在短短几年的时间里迅速发展成为催化界的新前沿,引发了众多科研工作者的研究热情。目前已经有许多的单原子催化剂的合成方法被开发出来,包括湿化学法,热分解法,高温原子捕获法和原子层沉积法等,各种性能优异的单原子催化剂也因此被制备出来,然后被应用在CO氧化,水煤气转换,选择性氢化等催化反应中。然而受限于合成方法的使用和载体的选择,这些催化剂在一些领域的发展仍相对比较缓慢。比如,传统的单原子催化剂的载体通常是金属氧化物或者氮化碳等导电能力较差的材料,这极大地限制了单原子催化剂在电催化领域的应用。因此,为了将单原子催化剂应用在更多的领域中,急需开发出一种通用的单原子催化剂的制备方法,实现高效地将不同类型的金属单原子固定在任意的载体材料上。另外由于单原子催化剂中金属原子固有的高表面自由能,原子之间容易发生团聚,为了避免这种现象的发生,往往通过大幅降低金属原子的负载量来扩大金属原子间的分散距离从而保证原子分散的状态,这就导致其有时候总体的催化表现反而不如对应的纳米粒子催化剂,这对于实际的工业生产来说是一个致命的缺陷。为了打破单原子催化剂在某些领域的应用桎梏,拓宽其在催化领域的应用范围,本论文的研究工作首先从载体改性的角度,通过电化学方法构建出一种具有强导电能力的单原子催化剂材料,并将其应用在电催化领域中。之后,我们进一步发展出一种冷冻电化学沉积的方法,不仅可以通用地制备一系列的单原子催化剂,还实现了三种高负载量贵金属单原子催化剂的制备。这三种代表性的贵金属单原子催化剂分别在经典的电催化,光催化和有机催化领域中都展现出优异的催化性能。本论文的主要内容主要从以下几个部分展开:第一章绪论本章首先介绍了单原子催化剂的基本概念与发展历程,并详细介绍了单原子催化剂中常用的表征手段,主要的合成策略以及常见的应用。最后总结了本论文的选题依据、研究内容和研究的创新点。第二章基于金属Ni基底上部分氮化的设计实现Pt单原子的固定并用于中性电解质中电催化和光电催化本章提出了一种新的在导电金属表面部分氮化修饰的策略,通过N原子的孤对电子与Pt原子中未占据的d轨道的配位,利用电化学手段成功地将Pt单原子固定在了具有强导电性能的多孔泡沫镍金属上,成功地摆脱了传统弱导电载体的限制,将单原子催化剂成功应用在电催化领域中,并且在中性电解质中实现了高效的电化学析氢性能。甚至还将其作为助催化剂集成到Cu2O纳米线光阴极上,应用于光电催化水还原反应中,获得了极高的光电流密度和不错的光电转换效率。第三章冷冻电化学沉积制备金属单原子催化剂尽管上一章已经通过在金属载体上低温氮化修饰的方式成功地将单原子催化剂应用在电催化反应中,并且展现出优异的催化性能。但是也注意到这种制备策略仍然缺乏有效的手段在制备过程中限制原子间团聚的发生,单原子的低负载量问题仍然存在,这不利于单原子催化剂的实际应用。因此,本章我们提出一种通用的高负载量单原子催化剂的合成策略——冷冻电化学沉积。通过冷冻的手段可以极大地抑制原子之间发生团聚,从而保证获得了高负载量的单原子催化剂,而且我们还可以在电化学还原的过程中通过控制电量来直接控制单原子的负载量,调控满足实际需要的单原子分布。利用这种方法,我们不仅成功制备了一系列包含不同金属原子的单原子催化剂,还实现了在不同空间维度的载体上负载单原子,这些单原子还可以与不同载体上的不同结合元素发生相互作用。除此之外,冷冻电化学沉积的方法还可以用来制备多种金属原子共存的单原子催化剂,有望在某些复杂的串联、级联反应和多米诺反应中发挥出效果。第四章冷冻电化学沉积制备的贵金属单原子催化剂在电催化,光催化及有机催化中的应用上一章提出的冷冻电化学沉积方法在制备单原子催化剂中展现的通用性,允许我们可以根据实际的需求比较轻松直接地设计预期的单原子催化剂。本章为了验证这种制备方法的实用价值,利用冷冻电化学沉积制备了三种高负载量的贵金属单原子催化剂,它们分别在经典的电催化,光催化和有机催化反应中都展现出了优异的催化性能。而且对于资源稀缺和价格昂贵的贵金属来说,单原子催化剂的高原子利用率对于依赖于贵金属催化的工业工艺来说具有非常重大的现实意义。这种冷冻电化学沉积的合成策略有望帮助单原子催化剂在更多的领域中实现应用,并有可能加速单原子催化剂的工业化应用的进程。