单原子催化剂（SACs）是一类将单个金属原子锚定在载体上的材料，由于其有最大限度的原子利用率，在多相催化反应中表现出优异的性能。金属有机框架（MOFs），作为一种广泛应用于工业催化和能源存储-转化技术领域的材料，其不仅具有功能性配体，还具有孔径可调性和高孔隙率等优良特性，而经高温热解后，MOFs上负载的活性金属物种甚至可被缩小到单原子（SAs）尺度以最大化金属利用率。不难发现，由MOFs衍生的SACs在弥合均相和非均相催化剂之间的差异方面具有巨大的优势。

图1 MOFs衍生的SACs的优势 

        现今，科研人员主要通过对单原子周围的不饱和配位、尺寸效应以及局域电子密度的精准调控来设计单原子催化剂，然而却缺少以MOFs衍生物为载体的相关SACs综述作为指导，尤其是应用方向。中科院兰州化物所工业催化课题组近年来围绕MOFs衍生的金属氧化物催化剂和单原子催化剂做了大量的研究工作，相关论文已发表在Chemical Engineering Journal 405 (2021) 126948, Chemical Engineering Journal 435 (2022) 134953, Journal of Catalysis 412 (2022) 42-58, Science of The Total Environment 860 (2023) 160472等。

        本文先介绍了基于不同MOFs载体衍生后的金属氧化物材料能够提供不同的配位环境从而有效地对金属离子进行锚定，继而阐述不同MOF衍生的SACs会产生不同的活性位点，从而影响催化剂的性能以及催化作用机理，最后综述了近几年来其在电催化、光催化以及热催化等方面的应用。本文的研究内容主要从不同MOFs衍生的SACs、MOFs衍生的SACs活性位点以及在催化领域的应用等三部分进行了详细论述。

        首先，MOFs衍生物以其特有的性质，将单原子（SAs）牢牢地锚定在载体上以防烧结团聚。MOFs衍生后形成的碳氮结构会紧密地锚定目标SAs，以有效避免SAs的迁移和聚集。我们详细总结了近些年来基于不同MOFs基底提出的各种制备SACs的策略，从而深入探究MOFs前驱体为单原子金属离子提供的配位环境。

        其次，通过改变金属活性中心类别、配体种类、溶剂种类、改变载体形貌或者掺入杂原子（O、S、P）等方法来提高MOFs衍生材料锚定金属单原子的能力，可以精准构建出对称结构（M-N4）、非对称结构（M-Nx）甚至是双金属（M1-M2）等活性位点，并有效改善催化剂的催化性能，以获取SACs的微观结构与反应性之间的复杂联系。

        最后，本文详细叙述了MOFs衍生SACs在电催化、光催化、热催化领域的应用。其中，MOFs衍生的SACs在电催化领域已经有了较为成熟的发展，而在光、热催化领域还具有很大的探索空间和应用前景。

图2 MOFs衍生的SACs在MOF基底、活性位点以及应用领域的相关进展 

        总之，MOFs结构的多样性使得MOFs衍生的SACs研究领域更加广泛，人们致力于研究结构和性能之间的关系，从而促进对多相催化的理解，设计和制备出适合大规模生产的更加高效的催化材料。

        相关成果近期以“Recent advances and future perspectives in MOF-derived single atom catalysts and their application: A review”为题发表在Journal of Materials Chemistry A 11 (2023) 3315-3363. 该论文第一作者为兰州化物所博士研究生马思怡，通讯作者为唐志诚研究员、董芳副研究员。

        该工作得到了国家自然科学基金面上项目、中科院洁净能源创新研究院合作基金、兰州市人才创新创业项目的支持。