在能源催化与转化领域，单原子催化剂（SACs）因其100% 原子利用率和独特电子结构，被视为突破传统催化剂性能瓶颈的关键材料。然而，金属原子易团聚、制备周期长、设备成本高等问题，长期制约其规模化应用。
北京理工大学团队在国际期刊《Small》发表最新综述，系统梳理焦耳加热、微波辐射等超快合成策略，通过秒级高温脉冲技术实现单原子催化剂的高效制备，相关成果为电催化领域带来革命性解决方案。本文结合技术细节与应用前景，为科研工作者与产业界提供深度参考。

1. 效率革命：从 “小时级” 到 “秒级” 的跨越

• 传统方法（浸渍法 / ALD）需 6-12 小时加热，原子团聚导致活性位点损失超 40%；

• 超快合成策略通过1-10 秒瞬时升温（3000K）+2000℃/s 极速淬火，实现金属原子在载体表面的原子级分散，活性位点密度提升 200%。

2. 性能突破：电催化效率全面超越传统材料

• CO₂还原法拉第效率达 93.7%（-0.9V），析氢反应过电位低至 12mV（10mA/cm²），氧还原半波电位 0.92V（媲美贵金属 Pt/C）；

• 锌空气电池循环寿命突破 1500 小时，稳定性提升 2 倍以上。

3. 工程化前景：低成本、规模化制备路径清晰

• 模块化设备成本较 ALD 降低 60%，支持实验室克级到工业公斤级工艺放大；

• 首次实现 “高分散性（单原子级）” 与 “高负载量（4.5wt%）” 的平衡，加速产业化进程。

1. 超快合成策略总览

▶ 策略分类与技术演进

• 超快合成单原子催化剂的主要策略分类图
  系统划分焦耳加热、微波辐射、脉冲放电、激光植入等技术路径，核心逻辑为 “瞬时高温脉冲 + 极速淬火”，从原理上抑制金属原子团聚，实现原子级分散。
  
• 合成 SACs 的快速加热方法的发展过程
  技术演进历经三个阶段：

1. 2018 年微波法突破：首次实现 “分钟级” 合成，活性位点密度提升 200%；

2. 2020 年焦耳加热法：秒级升温（3000K）与淬火技术，解决原子团聚难题；

3. 2024 年脉冲放电 / 激光技术：百微秒级制备与原子定点生长，推动负载量与分散性平衡（图 2 时间轴明确关键技术节点与性能突破）。

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2. 核心技术解析

▶ 焦耳加热法：瞬时高温构建原子级活性位点

• 技术原理：
  通过脉冲电流将电能转化为热能，3 秒内升温至 3000K，同步实现金属原子（Ni/Fe）掺杂与石墨烯载体还原。瞬时淬火过程以＞2000℃/s 速率冷却，抑制奥斯特瓦尔德熟化，形成高密度单原子活性位点（TEM 观测显示金属原子均匀分散，无纳米颗粒聚集）。

• 关键优势：
  ✅ 加热 / 冷却速率＞1500℃/s，精准控制原子级分散，避免长时间加热导致的团聚；
  ✅ 单次制备时间＜10 秒，适用于高通量材料筛选与快速工艺验证。

▶ 微波加热法：高频共振实现均匀掺杂

• 技术优势：
  利用氧化石墨烯（rGO）的微波吸收特性，5 分钟内实现载体均匀产热（温度均匀性误差＜±10K），避免局部过热导致的原子聚集。扫描电子显微镜（SEM）显示，单原子均匀锚定在石墨烯表面，无区域性团聚现象。

• 工程化价值：
  设备简单易放大，单次制备量可达 50g，成本仅为 ALD 技术的 1/10，为工业化生产提供低成本路径。

▶ 前沿技术矩阵：脉冲放电 / 激光 / 等离子体协同突破

• 脉冲放电法：
  采用 10⁵A 峰值电流脉冲，100μs 内将前驱体升华成单原子 / 离子，快速冷却后锚定在石墨烯气凝胶。该方法首次实现铜单原子催化剂在甲酸生产中的法拉第效率达 94.3%（-0.73V）。

• 激光植入法：
  飞秒激光精准轰击（定位精度 ±5nm），实现单原子定点生长，为原位研究单原子催化机制提供纳米级模型。

• 等离子体轰击法：
  通过等离子体能量实现表面改性与原子掺杂一步完成，Fe/NC 催化剂氧还原反应（ORR）电流密度达 9.89mA/cm²，半波电位 0.920V，性能超越多数商业催化剂。

3. 电催化应用场景

▶ CO₂还原反应（CO₂RR）

• 焦耳加热镍单原子催化剂（CO 选择性＞90%，显著降低人工光合作用系统的材料成本；

• 微波辅助 CuN₃催化剂：甲酸产率法拉第效率 94.3%，推动 CO₂向环保型制冷剂（如 R32）的高效转化。

▶ 析氢反应（HER）

• 激光诱导 Pt 单原子催化剂：质量活性 12.36mA/μg（50mV 过电位），是传统纳米颗粒催化剂的 5 倍；

• 瞬态加热钴单原子材料：酸性环境稳定运行超 1000 小时，塔菲尔斜率 66mV/dec，耐久性与效率双提升。

▶ 氧还原 / 析氧反应（ORR/OER）

• 闪蒸加热 CoN₅催化剂：ORR 半波电位 0.88V（Pt/C 为 0.89V），OER 过电位 290mV（低于 RuO₂的 350mV），双反应性能接近贵金属催化剂；

• 等离子体 Fe/NC 催化剂：助力锌空气电池循环寿命突破 1500 小时，远超商业催化剂（500 小时衰减 15%），推动长寿命储能设备研发。

1. 技术挑战与未来方向

• 控温精度：现有设备在瞬时高温下温度均匀性误差 ±50K，需通过设备升级（如磁控涡流加热技术）将误差控制在 ±15K 以内，以实现高负载量（目标＞5wt%）；

• 原位监测：开发纳秒级时间分辨技术（如原位 X 射线吸收精细结构谱），实时解析单原子形成过程中的键合动力学；

• 理论计算：结合密度泛函理论（DFT）模拟单原子配位环境对催化活性的影响，指导高性能催化剂的理性设计。

2. 中科精研：超快合成设备的工程化解决方案

• HTS 焦耳超快加热装置：
  专为焦耳加热法设计，支持 1-10 秒瞬时加热，控温精度 ±0.1℃，单次处理量 5-50g，已助力多个团队完成原子分散性关键参数测试，为实验室工艺优化提供标准化平台；

• FJH 焦耳闪蒸加热装置：
  采用毫秒级升温技术（＞2000℃/s），温度均匀性误差＜±15K，处理量可达公斤级，成功将单原子负载量从 1.2wt% 提升至 4.5wt%，突破 “高分散 - 高负载” 技术瓶颈；

• 技术优势：
  设备集成智能温控算法与淬火系统，支持多参数协同优化（温度、时间、前驱体配比），适配焦耳加热、脉冲放电等多种超快合成方法，加速科研成果向中试工艺转化（获取《超快合成设备技术参数表》请点击文末链接）。

3. 产业前景