曼索尔·侯赛因（Mansor Hussain）|阿卜杜勒·雷赫曼·纳斯鲁拉（Abdur Rehman Nasrullah）|穆罕默德·哈斯奈因（Muhammad Hasnain）|阿姆娜·阿布拉尔（Amna Abrar）|桑杜斯·乌马尔（Sundus Umer）|穆罕默德·汉兹拉（Muhammad Hanzla）|哈菲兹·坦维尔·艾哈迈德（Hafiz Tanveer Ahmed）|卡迪贾·塔巴苏姆（Khadija Tabassum）
中国天津市天津大学理学院化学系，教育部先进材料智能传感国家重点实验室、有机集成电路国家重点实验室及天津市分子光电子科学重点实验室，邮编300072
摘要
用于尿素电氧化（UOR）的单原子催化剂（SACs）为可持续能源生产和环境修复提供了一个有前景的平台。通过提供原子级别的精确性，SACs最大限度地提高了催化活性、选择性和稳定性，使得UOR能够在比传统催化剂更低的过电位下进行。本文对用于UOR的SACs进行了深入分析，强调了合理设计、合成策略、机理洞察以及先进的表征方法。我们讨论了各种合成方法、载体材料的关键作用，以及原位/操作技术及人工智能在催化剂发现中的应用。最终目标是为实际应用（如氢气生产和废水处理）提供高效、稳定且可扩展的SACs资源。
引言
世界正面临两个重大问题：尿素污染和不断增长的全球能源需求。尿素是最重要的环境污染物之一，尤其是在农业中作为几乎全氮肥料被广泛和过量使用[1]。这种做法导致天然水体中尿素过度饱和，主要通过农田、工业处理和废水系统，引发富营养化、饮用水污染以及氨的释放，从而形成对鱼类不友好的有毒环境。这种污染破坏了生态系统的平衡，降低了氧气水平，并导致藻类大量繁殖，对水生生物造成长期严重影响[2]。因此，人口增长、工业化和技术发展持续增加全球能源需求。传统的能源生产活动严重依赖化石燃料，这加剧了气候变化、污染和不可再生能源的枯竭。因此，世界需要更可持续、高效且迫切需要的能源生产技术，以满足不断增长的能源需求而不进一步破坏环境[3]。在这方面，尿素电氧化（UOR）为解决环境污染和可再生能源生产问题提供了一个关键的绿色解决方案。UOR是一种将尿素转化为电子、N2和CO2的过程[4]。这种能量输出可以用于驱动氢气演化反应（HER），产生H2气体，这是一种清洁且广泛可用的能源资源，同时具有可回收性。与传统使用的氧演化反应（OER）相比，UOR的主要优势在于其热力学过电位更低，这意味着UOR所需的能量更少[5],[6]。此外，由于尿素丰富且价格低廉，UOR可能成为一种成本效益高的能源生产和废水处理方法。该技术具有双重优势：i) 它提供了一种可再生的清洁能源；ii) 它还有助于减少水系统中的N2污染。UOR与绿色化学兼容，可以利用技术将富含尿素的废物转化为经济可行的资源，从而长期改善地球的环境状况[7]。
为了解决这些挑战，研究人员采用了SACs来进一步提高UOR的性能。历史上，铂（Pt）和铱（Ir）因其催化活性而被广泛用于包括OER在内的多种电化学反应[8],[9]。SACs提供了一种有前景的解决方案。SACs中的金属原子分散在载体材料上，每个金属原子都作为反应的活性位点。这是最有效的催化剂分散方式，因为在原子层面，每个金属原子都可能参与催化过程[10],[11],[12]。SACs的另一个优点是它们的电子结构可以调节，从而精确控制其催化能力，即反应性、稳定性和选择性。SACs具有多种理想的特性，包括较大的表面积与体积比、高原子效率以及易于调节的内在组成和电子特性，这使得它们在电化学升级石油方面非常有效。与使用有限金属资源的传统催化剂不同，SACs不依赖稀有金属；所有金属原子都参与催化作用[13],[14]。
然而，尽管SACs具有潜力，但在解决稳定性和合成复杂性问题之前，它们可能在UOR中的应用仍受到限制。特别是在UOR应用的严酷电化学条件下，SACs会经历严重的氧化和氧化还原反应。此外，这些催化剂的合成过程繁琐，需要仔细控制锚定和金属原子在支架上的分散[15],[16]。为了满足这些需求，通常需要资源密集型过程，涉及许多繁琐的步骤。常用的技术包括原子层沉积（ALD）、化学气相沉积（CVD）和湿化学方法，但这些方法往往耗时且成本较高。
理解UOR的潜在机制以及SACs在整个反应过程中的动态至关重要。尽管SACs在各种反应中表现出高催化活性，但实际反应机制、不同活性位点之间的相互作用以及SAC与电解质之间的化学相互作用仍不清楚[17]。SAC驱动的UOR的主要问题是机理上的不确定性，这仍然是实现最佳效率的最大障碍。此外，在操作条件下表征SACs具有挑战性，因为传统的表征方法无法提供关于催化过程的实时信息[18]。最近的原位和操作表征工具，包括X射线吸收光谱（XAS）、拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM），可以用于在反应条件下表征SACs；然而，这些方法在科学界并不常用。SACs在UOR中的应用前景广阔，通过工程化SACs以实现解剖学效率和电子特性的可能性为提高UOR性能提供了新的机会[19],[20]。
截至目前，关于UOR中SACs的最新进展尚未得到充分研究。因此，本文旨在全面更新SACs在UOR中的最新研究进展，包括其合成、表征、性能和挑战，以促进SACs在高效、可扩展和工业相关应用中的发展。它将提供指导未来研究的见解。图1展示了UOR的集成概念，包括其主要来源、关键优势和实际应用，并总结了SACs在提高催化效率方面的优势，以及它们多样的合成策略和先进的表征技术。（见表1。）
尿素电氧化的基础知识
尿素电氧化（UOR）是一种电化学过程，它将尿素氧化为N2和CO2。这一过程具有双重重要性：i) 可以去除废水中的尿素；ii) 与HER结合使用时可以产生氢气[21]。此外，与水电解相比，UOR的理论过电位较低，因此在产生氢气方面更加节能。UOR的有效性与催化剂本身密切相关，而最近的SACs发展
UOR中SACs的合成策略和稳定化方法
SACs的高催化效率和原子级别的选择性在UOR领域尤为重要。SACs的主要优势在于它们能够最大化活性金属位点的暴露，从而以最小的金属用量实现高催化效率。然而，金属聚集、渗出和长期使用后的不稳定性等问题常常引发对SACs在UOR中应用前景的质疑[75]。因此，设计和制备UOR中SACs的先进表征技术和性能评估
SACs的特性，如独特的原子分散性、高原子效率以及对目标产物的高选择性，使它们与众不同，它们具有明确的活性位点、可调的电子结构和强大的金属-载体关系，这些共同提高了催化活性，使其与传统的基于纳米粒子的催化剂有显著区别[74]。然而，只有当这些特性得到充分发挥时，SACs的潜力才能得到充分利用UOR中SACs的材料设计和工程策略
SACs在UOR中的性能不仅与金属中心的性质有关，还与载体材料的性质和设计有关。虽然金属原子是催化反应的主要活性位点，但它们的分散性、稳定性、电子环境以及与反应物的相互作用受到其所锚定基底的强烈影响[74]。在UOR中，由于施加的电位较高，电化学环境特别恶劣当前挑战和未来展望
尽管SACs由于其独特性质在UOR中具有多种优势，但仍需解决一些挑战。这些挑战源于对机理理解的不完全、原位和操作监测技术的局限性，以及与金属负载、稳定性和选择性相关的技术问题[195]。解决这些问题对于充分发挥SACs在UOR中的潜力至关重要。首先，对SACs在UOR中的基本理解仍受到许多未解决因素的限制结论
最近的研究表明，SACs是UOR中一种关键且重要的材料，由于它们能够在原子尺度上实现最高的催化效率，最大化原子利用率，提供明确的活性位点，并允许精确控制电子和几何特性。SAC的设计在催化活性、稳定性和选择性方面取得了显著改进。这些进展得益于先进的表征技术CRediT作者贡献声明
曼索尔·侯赛因（Mansor Hussain）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。阿卜杜勒·雷赫曼·纳斯鲁拉（Abdur Rehman Nasrullah）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、正式分析。穆罕默德·哈斯奈因（Muhammad Hasnain）：方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。阿姆娜·阿布拉尔（Amna Abrar）：可视化
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
曼索尔·侯赛因和阿卜杜勒·雷赫曼·纳斯鲁拉对这项工作做出了同等贡献。作者感谢
YLU-DNL基金（2021004号）的支持。
