董绍俊院士等，重磅Nature子刊！

单原子催化剂（SACs）已成为催化和能量转换领域最具吸引力的前沿研究领域之一，但由于SACs的原子非均质性和集合平均测量的局限性，控制特定催化性质和机制的基本活性位点在很大程度上仍然不清楚。

基于此，中国科学院长春应用化学研究所董绍俊院士和美国纽约州立大学石溪分校Jin Wang（共同通讯作者）等人报道了一种单原子催化-荧光相关光谱（single-atom catalysis-fluorescence correlation spectroscopy, SAC-FCS）的定量方法。利用原子结构依赖的催化动力学和单分子荧光显微镜的单次周转分辨率，作者能研究不同的铁-氮（Fe-N）配位SACs上的类氧化酶单分子催化，量化活性位点及其动力学参数。

通过将单次转化反应的自相关性和不同的原子位点相关联，作者成功地解析了FeN_x/C SACs上单分子氧化酶催化的实时荧光轨迹。通过SAC-FCS方法的自相关计算，从杂化单原子位点识别和量化内在的类氧化酶活性中心。此外，作者还揭示了FeN_x/C SACs中FeN₅活性位点的重要原子和催化动力学参数，其中类氧化酶活性位点的活性位点比例约为26%，活性位点对非均相类氧化酶催化反应的催化速率常数分别比FeN_x/C SACs中的非活性位点和酞菁铁中的FeN₄位点高182倍和1463倍。作者期望该方法将为SACs的合理设计和应用提供重要的见解。

近年来，单原子催化剂（SACs）在热催化、光催化和电催化领域最具创新性的非均相催化剂，其原子分散金属中心固定在支撑基质上，其最大的原子利用效率和简化的催化位点构型在机理研究和单原子催化方面显示出巨大的潜力。然而，异质底物和配位相互作用倾向于在SACs中构建不同的原子结构，导致多种催化性能和反应动力学。特别是，Fe-N配位（FeN_x/C）SACs通过不可控热解会产生多种具有不同催化活性的活性基团。由于氧分子的电子推动作用，轴向N配位的FeN₅活性位点具有与血红素相似的活性，比共面FeN₄活性位点高得多的类氧化酶活性。但是，由于SACs中原子位点的不均匀性和表征分辨率的不高，混合的单原子位点对活性物质的重要催化和动力学性质的影响非常模糊。因此，迫切需要创新的技术和方法来确定实际的活性位点和潜在的单原子催化机制。

对于SACs的非均相催化，分子反应动力学与不同催化位点的原子结构密切相关，可以从单分子反应的动力学行为中解卷积活性位点。基于单分子荧光显微镜的荧光相关光谱（FCS）可以定量评估单周转率分辨率下的时间相关荧光波动，因此当荧光分子作为反应物/生成物时，荧光转换轨迹反映了每个单独位点的催化动力学，有利于识别多个催化位点。

SAC-FCS的方法和机制

SAC-FCS方法将单分子荧光测量与自相关光谱计算相结合，通过对单个化学反应的实时荧光观察，可以定量研究单个位点上的分子反应动力学。非荧光底物首先通过SACs单原子位点的多相催化转化为荧光分子，然后雪崩光电二极管（APD）检测到在照射区域产生的荧光信号并将其转化为电脉冲信号，反映了底层光子动力学的信息。接着，光子计数器记录每个光子的到达时间。因此，所开发的SAC-FCS方法不仅可以监测整个观测区域的原子位置和催化过程，而且可以同时区分荧光信号的各个单独轨迹。

图1. SAC-FCS的设置和机制

模型催化剂

作者构建了单位点金属酞菁的标准催化模型，以验证SAC-FCS方法。该模型是通过在光照区域均匀固定FePc和CoPc分子（表示为FePc/CoPc-a，其中a=0.1, 0.2…0.9，a×100%表示模型中FePc的百分比）来建立的，并在以OPD和O₂为底物的微流动池中进行。范围内不同催化中心的分布可以近似地看作是原子位置不同的2D SACs。此外，FCS的最小时间分辨率远低于单原子位置氧化还原催化反应的微秒时间间隔。针对观测区域内存在多个催化位点，通过求导等待时间的累积概率分布，可得到不同催化过程的概率密度函数。因此，荧光转换轨迹在单次转换分辨率下反映了无序的催化行为，并且可通过自相关函数的统计自相关谱来量化。

图3.单原子模型与SAC-FCS分析

SAC-FCS的应用和扩展

作者将SAC-FCS方法的应用扩展到FeN_x/C SACs体系（其中x表示Fe原子的第一壳层N配位数，x=4, 5, 6），该体系由原子分散的Fe与多个N位点配位结构组成。像差校正的STEM和EDS显示，Fe原子分散在碳载体上，Fe和N原子均匀分布在整个结构域。在STEM中，不同的FeN_x/C-b SACs的Fe单原子密度逐渐增加，没有任何金属团簇或纳米颗粒，表明限制MOF前驱体有利于原子弥散。在一定范围内，随着Fe原子负载量的增加，实际活性位点的比值没有明显变化，因此增加金属负载可在一定程度上提高表观活性。

图3. SAC-FCS鉴定活性位点

密度泛函理论（DFT）计算，表明FeN₅位点的有利机理。根据FeN_x/C原子中心电荷密度差发现，不对称的FeN₅配位结构显著改变了电子结构，拉伸了Fe-N键，增强了Fe-N电荷转移，并通过电子推入效应激活氧分子。同时，中心Fe位点的偏态密度（PDOS）显示，FeN₅中d-带中心的负位移，导致含氧中间体（*OOH*、*O和*OH）在FeN₅位点上的吸附强度较弱，而氧还原活性较高。FeN_x/C SACs的回收实验表明，在经过5次循环后，转化率和选择性没有明显下降，表明催化剂的稳定性显著。

图4.单原子动力学和机理分析

Identifying the active sites in unequal iron-nitrogen single-atom catalysts. Nat. Commun., 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-41311-9.