单原子催化剂的合成及处理水中新兴污染物的研究.pdf

第49卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.49 No.9Sept.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT单原子催化剂的合成及处理水中新兴污染物的研究单原子催化剂的合成及处理水中新兴污染物的研究刘臻1，2，郑鹏1，刘浪1，纪芳芳3，袁绍春1，2，陈垚1，2（1.重庆交通大学河海学院，400074；2.重庆交通大学环境水利工程重庆市工程实验室，400074；3.林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，401121：重庆）摘摘 要要:单原子催化剂（SACs）具有结构独特稳定、制备方法灵活简便以及原子利用率高等特点，其在实现高活性和高选择性的催化反应方面有巨大的潜力，并已广泛应用于水中新兴污染物处理领域。目前SACs的合成方法繁杂，其在水处理中的应用也还处于发展阶段，针对该情况，对SACs的主要合成方法及其在新兴污染物处理中的应用进行了论述。总结了SACs四类合成方法（湿化学法、原子沉积法、质量选择软着路法、热解法）的优缺点，并探讨了SACs在光催化、电催化以及类芬顿水处理技术中降解有机污染物的作用机理。SACs对污染物的良好去除依赖于自由基（1O2、O2、SO4 和OH）和非自由基途径（h+和电子转移）。最后，对SACs发展过程中的机遇和挑战进行讨论。关键词关键词:单原子催化剂;合成方法;新兴污染物;水处理技术;反应机理开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:TQ426;X703 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)09-0011-008近年来，水污染问题日趋严重，尤其是水环境中普遍存在的新兴污染物（ECs）1-5。ECs是具有潜在生理毒性的污染物，包括内分泌干扰物、个人护理产品、农药、工业染料等，其较传统污染物具有更稳定的化学键，更难以去除且对人体危害严重。由于常规水处理技术难以有效去除ECs，开发绿色高效的ECs 水 处 理 技 术 成 为 重 点6-8。高 级 氧 化 工 艺（AOPs）被认为是降解EC最有效的方法之一，其包括光催化氧化、电催化氧化、类芬顿氧化等9-11。众所周知，催化剂可显著提升催化氧化过程的反应速率，研发高活性催化剂的制备技术成为提升水中ECs降解效率的关键。过去的几十年中，纳米催化剂在催化领域中占据了重要位置。但纳米催化存在原子利用率低这一主要问题，导致其催化成本较高（尤其是贵金属催化剂）。研究者普遍认为催化剂的活性会随着颗粒尺寸的减小而增加，如何进一步降低纳米催化剂的颗粒尺寸成为研究热点。随着科技发展以及材料制备手段提升，催化剂逐渐从纳米尺度转向原子尺度。单原子催化剂（SACs）具有最大的原子利用率和独特的电子结构，在实现金属资源合理利用和提高催化系统的经济性方面具有巨大的前景12。近年来，SACs在多相催化领域引起了广泛的关注13-15，其在各类化学反应中表现出了非凡的催化活性16。2011年，QIAO等17首次制备出真正意义上的单原子催化剂（Pt1/FeOx），其研究结果表明该催化剂在选择性催化氧化富氢条件下CO的过程中表现出优异的催化活性和稳定性。由于SACs性能稳定且不易受到环境的干扰，这意味着SACs在水污染处理方面具有巨大的前景。随着SACs制备技术的发展与催化机理研究的深入，其在新兴污染物处理领域中的应用也逐渐丰富。大量研究表明SACs催化降解ECs的效果显著，为处理水中新兴污染物提供了一种绿色可行的解决途径。然而，SACs的合成方法繁杂，已有综述并未过多关注SACs制备方法的优劣（尤其是金属负载量问题），且其在降解ECs中的应用仍处于初步阶段，相关的综述也并未特别关注SACs在水处理中的机理研究。综上，本文总结了SACs的主要合成方法，分析了SACs合成方法的特点，探讨了基于SACs的催化氧化技术（包括光催化、电催化以及类芬顿）在处理水中新兴污染物过程中的能效和作用机理，并展望DOI:10.16796/ki.10003770.2023.09.003收稿日期：2022-09-25基金项目：重庆市自然科学基金项目（cstc2020jcyj-msxmX0716）；水利水运工程教育部重点实验室开放基金资助项目（SLK2021A09）；重庆市研究生联合培养基地建设项目资助（JDLHPYJD2018001）；重庆市研究生科研创新项目（CYS23495）作者简介：刘臻（1989），男，博士研究生，副教授，研究方向为高级氧化技术；电子邮件：zhenL11第 49 卷 第 9 期水处理技术水处理技术了SACs今后可能的发展方向。1 单原子催化剂的制备单原子催化剂的制备与常规催化剂材料的制备不同，SACs的制备需要在合成过程中或后续处理过程中克服金属原子聚集的难题。随着相关研究的不断进展，目前已有一系列有效克服原子聚集的SACs合成方法，如湿化学法、原子层沉积法、质量选择软着陆法和热解法等。1.1湿化学法湿化学法从实际应用的角度来看，湿化学法由于其相对简单和大规模生产的实用性，是一种具有应用前景的SACs制备方法18。湿化学方法通常采用单核金属为前驱体，通过化学配位的方式实现前驱体配体与载体的官能团配位，从而实现单核金属络合物的稳定，抑制金属之间的聚集作用，实现金属单原子的负载。湿化学方法包括共沉淀法、浸渍法等，是制备单原子催化剂的常用方法。1.1.1共沉淀法共沉淀法共沉淀法是金属离子沉淀吸附在载体上的一种物理方法，已在单原子催化剂制备领域广泛应用19-20。QIAO等17在2011年采用共沉淀法，利用氯铂酸（H2PtCl6H2O，7.52 10-2 mol/L）、硝酸铁（1 mol/L）和碳酸钠（1 mol/L）在 50 oC、pH 约为 8 条件下首次制备出真正意义上的单原子催化剂（Pt1/FeOx）。其通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）清晰的观测到了均匀独立分散在FeOx表面的Pt单原子。Pt1/FeOx催化CO氧化的反应速率为0.435 molCO/（h gPt）（约为Pt团簇催化剂的 2.5 倍），其催化富氢条件下 CO 选择性氧化（PROX）的反应速率为0.676 molCO/（h gPt）（为Pt团簇催化剂的3倍多），表现出极高的催化活性和稳定性。WEI等21在2014年采用相同的方法制备了铂族金属史上对3-氨基苯乙烯选择性最佳（约99%）的铂原子催化剂（Pt/FeOx），其周转频率（TOF：用来表征单位活性位点的催化活性）高达0.42 s-1，催化硝基苯乙烯化学选择性加氢的效果比传统的Pt/TiO2催化剂高20倍。另外，高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像表明，合成过程中较高的还原温度会出现金属单原子与金属纳米颗粒共存现象，导致催化剂活性和选择性降低。LIN等22采用共沉淀法，将H2IrCl6和Fe（NO3）3按照一定比例以3 mL/min 添加到 NaOH 中，并在 80 oC 下搅拌直到pH至8左右，制备了具有强还原性的Ir原子催化剂（Ir/FeOx）。将其用于催化水煤气转化反应（WGS，CO+H2OCO2+H2（1），式（1），结果表明该催化反应的反应速率（43.4 molCO/（h gPt）比团簇和金属纳米颗粒高一个数量级。QIAO等23通过共沉淀法制备了以 CeO2为载体的 Au原子催化剂（Au1/CeO2），其在PROX反应中表现出优异的选择性和催化活性，比速率和 TOF 均优于许多其他形式的 Au 催化剂（见表1）。综上，共沉淀法可以制备出具有高选择性和催化活性的单原子催化剂。然而，该方法目前仅用于贵金属单原子催化剂制备，且金属负载量普遍较低（Pt、Ir 和 Au 的负载量分别为 0.17wt%、0.01wt%和0.05wt%），继续增加负载量会出现明显的金属团聚现象。一般来说，负载量越大的单原子催化剂，其催化性能越好。如何提高共沉淀法单原子催化剂的负载量，探讨非贵金属负载可能性，是一个值得研究并解决的问题。该方法适用于制备以氧化物为基础载体的贵金属单原子催化剂（如Pt、Au、Ir等），这主要取决于氧化物和金属单原子之间因协同作用产生的相互作用力。1.1.2浸渍法浸渍法浸渍法是制作负载型催化剂最常用、最简便的方法之一。该方法主要通过将金属前驱体溶液浸渍于载体上，并最终通过还原反应获得金属单原子27。ZHANG等28利用浸渍法，在室温条件下将H2PtCl6（0.252 mg/mL）中的Pt单原子吸附在Ni（OH）x纳米板（4 mg/mL）的Ni2+缺陷空位上（图1（a）-（b），在富氢、100 oC条件下还原后，制备出了铂负载量达2.3wt%的Pt1/Ni（OH）x催化剂。Ni（OH）x上的Ni2+空位导致Pt原子的氧化态升高，从而实现Pt原子与载体的紧密结合。该发现对发展阳离子空位制备表1Au负载催化剂在PROX反应中的比速率和TOFTab.1Specific rate and TOF of Au supported catalyst in PROX reaction催化剂Au1/CeO2Au/Fe2O3Au/CeO2Au/CeO2Au/La-Al2O3类别单原子催化剂非单原子非单原子非单原子非单原子Au负载量/wt%0.054.41.03.00.82温度/oC80801008080CO转化率/%99.5100608898比速率/（molCO h-1 gmetal-1）45.90.81.64.511.8TOF/s-12.50.17-1.9参考文献231724252612刘臻等，单原子催化剂的合成及处理水中新兴污染物的研究SACs具有重要意义。催化剂被证明具有高选择性和高活性，其催化的苯乙炔转化效率在20 min内可达到97%。2016年，CHOI等28采用浸渍法，以自制的高硫碳（HSC，3 g/L）作为载体，和H2PtCl6-5.5H2O（0.4 g/L）在80 oC条件下混合，制备了负载量相对较高（5wt%）的铂原子催化剂（Pt/HSC）。该催化剂Pt负载量远高于前面提及的制作方法，这与制备催化剂所用的载体密不可分。富硫官能团和三维网络结构的碳结构能承受更大的负载，成功改变了Pt原子催化剂只能在低负载（小于1wt%）下合成的状况，为提高单原子催化剂的金属负载量提供了新思路。该方法适用于制备载体材料具有固有缺陷（氧空位）的催化剂，金属单原子可锚定在缺陷空位上，主要用于制备Pt等贵金属SACs。1.2原子层沉积法原子层沉积法原子层沉积法（ALD）是一种将反应物通过原子膜形式沉积在衬底表面的化学气相沉积技术30。SUN等31通过ALD技术（沉积温度250 oC，循环次数为50次、100次、150次）制备了固定在石墨烯纳米片（GNS）上的 Pt 单原子催化剂（Pt/GNS）（如图 2（a）。石墨烯纳米片上吸附的氧与（甲基环戊二烯基）-三甲基铂（MeCpPtMe3）的前驱体反应，表面有限的氧为ALD提供了自限制生长所需物质，形成含铂的单层，铂表面继续吸附氧后形成新的含铂单层，完成一个 ALD 循环。Pt/GNS 催化甲醇氧化反应（MOR）的催化活性十倍于最先进的商用Pt/C催化剂。HAADF-STEM测试结果表明（如图2（b）-（d）增加ALD循化次数可导致团簇、纳米颗粒类Pt的增加。CHENG等32利用ALD技术（沉积温度250 oC，循环次数为 50次、100次）以氮掺杂石墨烯纳米片（NGN）为载体制备了铂单原子催化剂（Pt/NGN）（如图3），其在析氢反应（HER）中的催化效率是最先进商用Pt/C催化剂37倍。另外，进行ALD循环50次后获得的Pt/NGN催化剂的HER催化效能较高，约为ALD循环100次的8倍。理论上，循环次数越多，制备出的催化剂的金属负载越大，其催化性能越好。然而，ALD法制备的单原子催化剂性能受循环次数影响显著，ALD循环次数增多，单原子易转化成金属团簇或者纳米颗粒。因此，如何在ALD循环制备SACs的过程中减少甚至杜绝金属团簇或者纳米颗粒的形成，从而制备出负载量较高且催化性能更好的SACs是一个值得探究和解决的问题。该方法适用于制备碳基材料（如石墨烯等）和单原子配位的催化剂，主要通过循环沉积的方式实现Pt等贵金属单原子的在不同载体材料上的锚定。1.3质量选择软着陆质量选择软着陆质量选择软着陆法是一种能精确控制金属原子团簇大小，进而合成单原子催化剂的物理沉积方法33-35。但是由于精确控制原子数的难度过大，所以该方法一般只能合成具有多个单原子的团簇。VAJDA等36利用质量选择软着陆方法在涂有氧化铝膜的载体上制备了铂单原子团簇催化剂（Ptn/Al2O3，n=810，n表示团簇中的原子数）。Ptn/Al2O3（a）带Ni2+空位（b）不带Ni2+空位青色、灰色、红色、白色小球分别代表Pt、Ni、O和H原子图1Pt单原子吸附在Ni（OH）x纳米板上的示意图28Fig.1Schematic diagram of Pt single atom adsorption on Ni(OH)x nanoplates28图2（a）石墨烯纳米片上Pt单原子催化剂的制备机理示意图31。不同ALD 循环次数下 Pt/GNS 的 HAADF-STEM 图像31：（b）50 次（c）100次（d）150次Fig.2(a)Schematic diagram of the preparation mechanism of Pt monatomic catalysts on graphene nanosheets31.The image of HAADF-STEM of Pt/GNS under different ALD cycles31:(b)fifty times(c)one hundred times(d)one hundred and fifty times图3NGN上ALD法制备Pt单原子催化剂的机理示意图31Fig.3Mechanism diagram of Pt SACs prepared by ALD method on NGN3113第 49 卷 第 9 期水处理技术水处理技术催化剂的TOF高达1.1 s-1，高于涂有氧化锡薄膜的Pt/SnO/Al2O3催化剂。其催化丙烷的氧化脱氢反应，对生成丙烯具有高选择性（68%）。2013 年，KWON等37采用质量选择软着陆法制备出了金属单原子团簇材料并用于电催化，证明了单原子团簇催化剂作为电化学催化剂的稳定性。三种钯团簇（Pd4、Pd6和Pd17）在NaOH溶液（pH=13.6）中的析氧反应（OER）活性大小为：Pd4Pd6Pd17，表明钯团簇的OER活性随着粒径增大而增强，甚至Pd4还表现出比未沉积Pd团簇的UNCD更低的活性。这可能与我们传统的观念（认为粒径越小，原子利用率越高，催化性能就越好）有所差异。据我们所知，质量选择软着陆法由于条件苛刻，制备SACs的难度过大，很难制备出真正意义上单个金属原子的SACs，而且由于成本高，该方法很少用于工业制备催化剂。但是通过该方法制备金属原子团簇催化剂进行相关研究仍是一大热点。该方法利用技术手段实现原子的分离，适用于制备一系列分散较为彻底的贵金属（如Pt、Pd等）单原子催化剂。1.4热解法热解法热解法是通过高温促进前驱体分解合成SACs的一种常用方法38，该方法的合成范围广泛，可以用于合成多种单原子催化剂。在催化剂表面涂敷氧化层可有效防止高温过程中的粒子聚集，提高氮原子催化剂合成效率。SHANG等39采用热解法，将Co（NO3）26H2O（5.4 mmol）和 Zn（NO3）26H2O（27 mmol）的金属盐混合溶液倒入337.5 mmol/L的2-甲基咪唑溶液中搅拌2 h，得到的固体分散在十六烷基三甲基溴化铵水溶液、NaOH水溶液和正硅酸四乙酯组成的混合溶液中。最后将得到的前驱体（Co，N-CNFmSiO2）在900 oC氮气条件下热解5 h，制备出了以多孔氮掺杂碳纳米框架（N-CNF）为载体的钴单原子催化剂（Co，N-CNF，-0.2 V 条件下约为 0.3 mA/g）（如图4（a），其在碱性环境中催化氧化还原反应（ORR）的质量活性（单位质量催化剂的催化性能）是商用Pt/C的3倍。YANG等40采用热解法（如图4（b）（前驱体600 oC氩气条件下热解2 h）制备了一系列的过渡金属（包括Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Pt）单原子催化剂，实验结果表明所有样品的金属负载量均可达到1.8wt%以上（高于共沉淀法制备的SACs），其二氧化碳还原反应（CO2RR）效率可高达99%。该研究表明热解法具有制备更高金属负载量 SACs 的潜力。另外，2020 年，LIU 等41通过热解法（如图4（c）（前驱体在900 氩气条件下热解1 h）制备了石墨烯基N配位Mg单原子催化剂（Mg-N-C），研究结果表明Mg-N-C的ORR活性高于氮掺杂石墨烯（N-C）和商用Pt/C催化剂，成功打破了主族元素无催化活性的传统观念，证实了主族元素可具有催化活性。热解法制备的SACs在各类反应中均具有优异的催化性能和稳定性，这在一定程度上表明热解法有望成为单原子催化剂在实际应用中的首选制备方法。目前，热解法制备的SACs由于可控性高、金属负载量相对其他方法较大、稳定性强和催化性能优异等特点，已广泛用于水处理降解新兴污染物的研究。该方法适用于制备金属有机骨架（MOF）型、碳基载体负载型等一系列SACs，适用范围广，主要用于Co、Fe、Mn和Mg等过渡金属SACs的制备。在热解法中，SACs最典型的参数是热解的温度和时间，此外，在我们看来，前驱体材料的配比也可能对热解法制备SACs有较大的影响，但是很少有研究关注这一方面。因此，在后续的研究中，除了对热解温度和时间等研究外，还应重点研究实验材料的配比对SACs的制备及催化效能的影响。2 单原子催化剂去除水中新兴污染物应用单原子催化剂去除水中新兴污染物应用SACs已广泛应用于光催化、电催化以及类芬顿等催化氧化过程42-43。相关研究表明，SACs可显著提高各催化反应的速率，从而实现水中新兴污染物的快速降解44。图4（a）Co，N-CNF催化剂的制备机理示意图39（b）过渡金属单原子催化剂的制备过程40（c）热解制备Mg单原子催化剂示意图41Fig.4(a)Schematic diagram of preparation mechanism of Co,N-CNF catalyst39(b)Preparation process of transition metal monatomic catalyst40(c)Schematic diagram of Mg SACs prepared by pyrolysis4114刘臻等，单原子催化剂的合成及处理水中新兴污染物的研究2.1光催化降解光催化降解SACs作为光催化剂已被证明能通过促进电荷分离/电子转移等方式，从而有效降解新兴污染物45。2021年，GU等46通过热解法制备了氮掺杂碳的钨单原子光催化剂（W-CN）（如图5（a）降解水中卡马西平等新兴污染物。结果表明，光照条件下向水中投加 0.1g/L 的 W-CN 可实现对卡马西平（2.510-5 mol/L）的高效降解（210 min内降解率高达96%）。机理研究表明（如图5（b），W-CN被光（h）激活后产生了光电子和空穴（h+），氧分子在光电子作用下转化为O2（超氧自由基）。同时，W-CN被激活过程中发生能量转移产生了1O2（单线态氧），与h+和O2共同作用降解污染物。此外，W-CN具有良好的稳定性，催化性能不易受pH影响，可催化降解多种新兴污染物。CHEN等47报道了一种二维共价三嗪骨架负载Co单原子光催化剂（Co/CTF-1），并重点研究了 H2O2辅助 Co/CTF-1 对水中亚甲基蓝（MA）等有机污染物的光催化降解。研究数据表明，Co/CTF-1+H2O2体系下，MA的光降解反应速率高达0.082 0 min-1。此外，该体系在60 min内可降解90.9%的罗丹明B（RhB）、82.3%的胡敏酸（HA）以及98.6%的双酚A（BPA）。机理研究（如图5（c）表明，Co/CTF-1 在光照条件下产生的光电子和 h+以及H2O2被光活化后产生的O2在降解反应过程中起到了关键作用（见式（2）-（7）。Co/CTF-1+h h+e-（2）2H2O2+h 2H2O+O2（3）O2+e-O2-（4）H2O2+e-OH+OH-（5）OH-+h+OH（6）OH/O2-/h+MB several steps by products（7）2.2电催化降解电催化降解电催化氧化技术可通过外加电源提供的电子和电极催化剂作用下产生的OH去除水中有机污染物48。在众多 ECs 中，卤代有机化合物具有毒性强、半衰期长、降解难度大（先脱卤，后降解）等特点，常规方法不易去除且会造成二次污染49。通过电催化过程实现其快速脱卤和降解。LI等50报道了硫化石墨烯负载单原子Co催化剂（Co-SG）降解水中2，4-二氯苯甲酸（2，4-DCBA）的研究。Co-SG电催化剂的半波电位高达 0.70 V（vs.RHE），对 2，4-DCBA 的降解效率和矿化效率分别高达 91.1%和80%，相关降解机理研究如图6（a）-（c）所示。阴极电解H2O产生的H2在Co-SG催化剂的作用下参与加氢脱氯反应（EHDC，见式（8）-（10），将含氯有机物转化为易降解的有机物，并通过碱性条件下的双电子氧化还原反应（ORR，见式（11）-（14）实现2，4-DCBA的降解和矿化。EHDC：H22 H*（8）H3O+Co+e-H*Co+OH-（9）H*Co+RClCo+RH+Cl-（10）图5（a）W-CN催化剂结构示意图46（b）W-CN光降解污染物示意图46（c）Co/CTF-1+H2O2+Vis体系产生自由基的协同作用示意图47Fig.5(a)Schematic diagram of W-CN catalyst structure46(b)Schematic diagram of W-CN photodegradation of pollutants46(c)Schematic diagram of synergistic effect of Co/CTF-1+H2O2+Vis system to produce radicals47（a）EHDC机制（b）ORR机制（c）反应机理示意图图6Co-SG电催化降解2，4-DCBA50Fig.6Electrocatalytic degradation of 2,4-DCBA by CO-SG5015第 49 卷 第 9 期水处理技术水处理技术ORR：O2+H2O+2e-H2O2+2OH-（11）H2O2+OH-H2O+HO2-（12）HO2-+H2O2OH+O2-+H2O（13）OH+RHCO2+H2O（14）2.3类芬顿降解类芬顿降解类芬顿氧化技术可通过催化反应产生强氧化性的OH和过氧自由基等，在处理ECs方面具有较强的应用潜力51。与光催化和电催化氧化技术不同，类芬顿氧化技术通常不需要外加光源或电源，仅依靠催化剂本身即可活化过氧化物有效降解有机污染物52。YANG等53报道了一种氮掺杂多孔碳的锰单原子催化剂（Mn-ISAsCN），投加0.2 g/L的Mn-ISAsCN即可在4 min内实现BPA的完全降解（反应 速 率 高 达 1.138 min-1）。此 外，通 过 将 Mn-ISAsCN 用于活化 PMS，发现该体系适用于降解大部分有机污染物。该体系的反应机制如图7（a）所示，催化剂中的双反应位点（MnN4、吡咯N）在降解过程中发挥了关键作用。SO4（硫酸根自由基）和OH（羟基自由基）在MnN4位点处通过PMS活化生成，同时，BPA吸附在吡咯N位点表面，极大减少了自由基向污染物迁移的距离。自由基可与邻近污染物快速反应，从而显著提高类芬顿性能。2021年，YANG等54通过微孔限制策略在N掺杂的多孔碳上建立了Ni位点分散均匀的单原子催化剂（Ni-SAsCN）。在类芬顿反应中，Ni-SAsCN在较宽的pH范围（4.510.8）内对抗生素（氧氟沙星）、染料（甲基橙、罗丹明B）和酚类化合物（BPA、磺胺甲恶唑（SMX）都表现出良好的降解效果（25 min内的降解率均达到100%）。机理研究（如图7（b）表明，自由基途径（SO4和OH）和非自由基途径（电子传递）在有机污染物的分解中发挥了关键作用。PMS在NiN4位点被活化，生成大量SO4 和OH。吡咯N位点捕获SMX分子，减少自由基迁移和电子转移的距离，提高类芬顿性能。上述SACs在类芬顿反应中，具有多反应途径（自由基和非自由基）、适用于降解多种有机物，在实际应用中具有较大的潜力。3 结语与展望结语与展望综上所述，SACs的四种主要合成方法（湿化学法、原子沉积法、质量选择软着路法、热解法）优缺点如下：1）湿化学法：a.共沉淀法：SACs兼具高选择性和催化活性，但目前仅能用于合成贵金属单原子催化剂且金属负载量低；b.浸渍法：金属负载量较高；难点在于催化剂载体的选择（载体的缺陷空位丰富，能承受更大负载）；2）原子沉积法：制备的SACs能用于催化各类反应，但制备过程中极易产生团簇和纳米颗粒，金属负载量小；3）质量选择软着路法：能精确控制团簇的大小，但是其技术难度大，制备成本高；4）热解法：SACs稳定性好，金属负载量相对较高，但高温限制了催化剂本身的活性。在应用方面，SACs可用于光催化、电催化、类芬顿氧化等技术水处理过程中，并实现新兴污染物的高效降解，但是仍面临一些挑战。如何减少反应能耗和应用成本，增强反应速率是其能够实际应用的关键。目前SACs的研究仍存在以下不足：1）SACs稳定性和循环利用性问题：SACs的稳定性决定着其实际应用的能力，然而催化剂在催化反应的过程中总会吸附各种物质（如有机污染物等），从而降低催化剂的性能。同时，SACs在反应过程中会存在金属浸出的问题，减少了活性位点，进一步降低了催化剂性能，影响二次使用，增加了成本；2）金属前驱体价格昂贵：在 SACs 的研究中，贵金属催化剂（如铂、铑等）虽然普遍应用且性能优良，但其昂贵的价格不利于其发展；3）浸出的金属对环境的二次污染问题：除了实用性和经济性，催化剂的环保性也是我们必须考虑的因素，很多具有优良性能的SACs中浸出的金属离子会对水环境造成污染。例如Co-SACs，其作为活性最强的过渡金属却存在环境二次污染的问题；4）金属负载量问题：载体上金属负载量的大小在图7（a）Mn-ISAsCN上类芬顿反应的机理53 （b）Ni-SAsCN/PMS系统中SMX降解机理54Fig.7(a)Mechanism of Fenton-like reaction on Mn-ISAsCN53(b)Mechanism of SMX degradation in Ni-SAsCN/PMS system5416刘臻等，单原子催化剂的合成及处理水中新兴污染物的研究一定程度上决定了催化剂性能的高低。然而，金属单原子之间具有较强的相互作用力，负载量增加时易产生团聚现象，使得当前的SACs普遍存在金属负载量过低的问题；5）载体结构研究的问题：SACs的载体对其整体结构和性能有巨大的影响，但很少有研究专注于载体材料在SACs制备中作用机理的研究，更多地关注于金属在载体上的分散性。针对上述存在的不足，在SACs未来的研究中，我们应从几个方面入手：1）深入探究SACs的实际应用能力，可在实验室研究的基础上考虑或模拟其在自然水体中的实际作用，并探究有效恢复其原有性能的方法或技术，从而保障其可循环利用性；2）在催化剂的选择方面，未来可倾向于将更为经济的非贵金属作为研究的重点，降低成本。同时考虑对环境无害性，Fe基等SACs可能在未来的研究中受到广泛关注；3）新型载体材料的研发：在未来的研究中，应当关注载体结构在固定和分散金属单原子的机理，根据机理开发出更为适合金属单原子锚定的载体结构，从而解决金属单原子易聚集、金属负载量低以及金属浸出等问题。参考文献：1PETRIE B,BARDEN R,KASPRZYK-HORDERN B.A review on emerging contaminants in wastewaters and the environment:Current knowledge,understudied areas and recommendations for future monitoringJ.Water Research,2015,72:3-27.2SORENSEN J P R,LAPWORTH D J,NKHUWA D C W,et al.Emerging contaminants in urban groundwater sources in AfricaJ.Water Research,2015,72:51-63.3GONZLEZ-GONZLEZ R B,SHARMA A,PARRA-SALDVAR R,et al.Decontamination of emerging pharmaceutical pollutants using carbon-dots as robust materialsJ.Journal of Hazardous 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