本书为“低维材料与器件丛书”之一。作者全面而深入地介绍了单原子催化材料的理论基础和应用，并对国内外研究进展进行了梳理和总结。第1章从电子与光电子角度分析了单原子催化材料的结构特点；第2～4章介绍了单原子催化材料的制备方法与表征技术，既囊括了主流且成熟的合成方法，又简要介绍了新兴且富有潜力的制备技术；第5～8章介绍了单原子催化材料在热催化、电催化、光催化和储能电池领域中的热门应用，同时总结了单原子催化材料在这些应用领域中的优势、现状和挑战；第9章系统梳理了单原子催化材料的理论设计；第10章介绍了单原子催化材料在尖端应用领域取得巨大的成就，并对未来发展方向进行了前瞻性展望。

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承担国家自然科学基金重大项目等项目七项，国家海外优青，获授权专利两项。

目录
总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 碳中和愿景下的催化需求 1
1.2 催化反应基本原理 2
1.3 单原子催化剂的提出与发展 12
1.4 单原子催化材料的研究思路 16
参考文献 16
第2章 单原子催化材料的电子和光电子性质 20
2.1 石墨烯基单原子催化材料 20
2.1.1 几何结构及电子结构 21
2.1.2 模型种类及合成方法 23
2.1.3 光/电催化领域中的应用 27
2.2 g-C3N4基单原子催化材料 31
2.2.1 几何结构及电子结构 31
2.2.2 模型种类及合成方法 33
2.2.3 光/电催化领域中的应用 34
2.3 二硫化物基单原子催化材料 36
2.3.1 几何结构及电子结构 37
2.3.2 模型种类及合成方法 38
2.3.3 光/电催化领域中的应用 42
2.4 缺陷对单原子催化材料电子和光电子性质的影响 44
2.4.1 点缺陷 44
2.4.2 位错与晶界 47
总结与展望 48
参考文献 49
第3章 单原子催化材料的制备方法 56
3.1 电化学合成法 56
3.2 化学气相沉积法 59
3.3 原子层沉积法 61
3.4 水热合成和溶剂热合成法 62
3.5 热解法 63
3.6 球磨法 67
3.7 浸渍法 68
3.8 光化学合成法 70
总结与展望 71
参考文献 72
第4章 单原子催化材料的表征 77
4.1 原子尺度微观形貌表征 78
4.1.1 透射电子显微镜 78
4.1.2 扫描隧道显微镜 81
4.1.3 原子力显微镜 83
4.2 原子尺度电子结构表征 84
4.2.1 X射线吸收谱 84
4.2.2 X射线光电子能谱 87
4.3 其他表征方式 89
4.3.1 电子能量损失谱 89
4.3.2 傅里叶变换红外光谱 90
4.3.3 电感耦合等离子体-原子发射光谱 91
4.3.4 第一性原理计算分析电子结构 93
总结与展望 98
参考文献 99
第5章 单原子催化材料的热催化应用 107
5.1 热催化氧化反应 108
5.1.1 甲烷氧化 108
5.1.2 苯氧化 115
5.1.3 乙苯氧化 118
5.2 热催化加氢反应 122
5.2.1 纤维素加氢 122
5.2.2 炔烃选择性加氢 123
5.2.3 其他加氢反应 127
总结与展望 133
参考文献 133
第6章 单原子催化材料的电催化应用 144
6.1 电催化的基本参数 144
6.2 电催化氧化反应 148
6.2.1 析氧反应 148
6.2.2 氢氧化反应 152
6.2.3 其他氧化反应 153
6.3 电催化还原反应 156
6.3.1 析氢反应 156
6.3.2 CO2还原反应 159
6.3.3 氧气还原反应 163
总结与展望 166
参考文献 167
第7章 单原子催化材料的光催化应用 173
7.1 光解水反应 174
7.1.1 光解水析氧反应 174
7.1.2 光解水析氢反应 179
7.2 光催化CO2还原反应 183
7.3 其他反应 187
7.3.1 双酚A降解反应 187
7.3.2 罗丹明B降解反应 189
7.3.3 其他污染物降解反应 191
总结与展望 196
参考文献 197
第8章 单原子催化材料在储能领域的应用 208
8.1 锂-空气电池 209
8.1.1 锂-氧气电池 210
8.1.2 锂-二氧化碳电池 215
8.2 锂金属电池 218
8.3 锂硫电池 220
8.3.1 单原子催化材料修饰阴极 221
8.3.2 单原子催化材料包覆隔膜 223
8.4 钠离子电池 225
8.5 钠硫电池 228
8.6 锌-空气电池 231
8.6.1 铁单原子催化剂 232
8.6.2 钴单原子催化剂 234
8.6.3 其他金属单原子催化剂 234
总结与展望 236
参考文献 237
第9章 单原子催化材料的理论设计 248
9.1 特定电子和光电子性质的逆向工程设计 248
9.1.1 缺陷设计 249
9.1.2 元素掺杂 252
9.1.3 轴向配位工程 257
9.1.4 异质结构建 260
9.2 反应优化设计 262
9.2.1 活性设计 263
9.2.2 选择性设计 265
9.3 高通量筛选 266
9.3.1 反应描述符构建 267
9.3.2 机器学习模型辅助设计 270
总结与展望 273
参考文献 273
第10章 单原子催化材料的潜在应用探索 281
10.1 仿生药物 282
10.2 电化学生物传感器 284
10.3 基因编辑 286
10.4 交通航天动力系统 288
10.5 净化装置 290
10.6 气体捕获、分离与储存 292
10.7 可穿戴柔性电子设备 294
10.8 光伏器件 296
总结与展望 298
参考文献 300
关键词索引 303