單原子催化劑（SACs）已成為催化和能量轉換領域最具吸引力的前沿研究領域之一，但由于SACs的原子非均質性和集合平均測量的局限性，控制特定催化性質和機制的基本活性位點在很大程度上仍然不清楚。

基于此，中國科學院長春應用化學研究所董紹俊院士和美國紐約州立大學石溪分校Jin Wang（共同通訊作者）等人報道了一種單原子催化-熒光相關光譜（single-atom catalysis-fluorescence correlation spectroscopy, SAC-FCS）的定量方法。利用原子結構依賴的催化動力學和單分子熒光顯微鏡的單次周轉分辨率，作者能研究不同的鐵-氮（Fe-N）配位SACs上的類氧化酶單分子催化，量化活性位點及其動力學參數。

通過將單次轉化反應的自相關性和不同的原子位點相關聯，作者成功地解析了FeN_x/C SACs上單分子氧化酶催化的實時熒光軌跡。通過SAC-FCS方法的自相關計算，從雜化單原子位點識別和量化內在的類氧化酶活性中心。此外，作者還揭示了FeN_x/C SACs中FeN₅活性位點的重要原子和催化動力學參數，其中類氧化酶活性位點的活性位點比例約為26%，活性位點對非均相類氧化酶催化反應的催化速率常數分別比FeN_x/C SACs中的非活性位點和酞菁鐵中的FeN₄位點高182倍和1463倍。作者期望該方法將為SACs的合理設計和應用提供重要的見解。

近年來，單原子催化劑（SACs）在熱催化、光催化和電催化領域最具創新性的非均相催化劑，其原子分散金屬中心固定在支撐基質上，其最大的原子利用效率和簡化的催化位點構型在機理研究和單原子催化方面顯示出巨大的潛力。然而，異質底物和配位相互作用傾向于在SACs中構建不同的原子結構，導致多種催化性能和反應動力學。特別是，Fe-N配位（FeN_x/C）SACs通過不可控熱解會產生多種具有不同催化活性的活性基團。由于氧分子的電子推動作用，軸向N配位的FeN₅活性位點具有與血紅素相似的活性，比共面FeN₄活性位點高得多的類氧化酶活性。但是，由于SACs中原子位點的不均勻性和表征分辨率的不高，混合的單原子位點對活性物質的重要催化和動力學性質的影響非常模糊。因此，迫切需要創新的技術和方法來確定實際的活性位點和潛在的單原子催化機制。

對于SACs的非均相催化，分子反應動力學與不同催化位點的原子結構密切相關，可以從單分子反應的動力學行為中解卷積活性位點。基于單分子熒光顯微鏡的熒光相關光譜（FCS）可以定量評估單周轉率分辨率下的時間相關熒光波動，因此當熒光分子作為反應物/生成物時，熒光轉換軌跡反映了每個單獨位點的催化動力學，有利于識別多個催化位點。

SAC-FCS的方法和機制

SAC-FCS方法將單分子熒光測量與自相關光譜計算相結合，通過對單個化學反應的實時熒光觀察，可以定量研究單個位點上的分子反應動力學。非熒光底物首先通過SACs單原子位點的多相催化轉化為熒光分子，然后雪崩光電二極管（APD）檢測到在照射區域產生的熒光信號并將其轉化為電脈沖信號，反映了底層光子動力學的信息。接著，光子計數器記錄每個光子的到達時間。因此，所開發的SAC-FCS方法不僅可以監測整個觀測區域的原子位置和催化過程，而且可以同時區分熒光信號的各個單獨軌跡。

圖1. SAC-FCS的設置和機制

模型催化劑

作者構建了單位點金屬酞菁的標準催化模型，以驗證SAC-FCS方法。該模型是通過在光照區域均勻固定FePc和CoPc分子（表示為FePc/CoPc-a，其中a=0.1, 0.2…0.9，a×100%表示模型中FePc的百分比）來建立的，并在以OPD和O₂為底物的微流動池中進行。范圍內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的最小時間分辨率遠低于單原子位置氧化還原催化反應的微秒時間間隔。針對觀測區域內存在多個催化位點，通過求導等待時間的累積概率分布，可得到不同催化過程的概率密度函數。因此，熒光轉換軌跡在單次轉換分辨率下反映了無序的催化行為，并且可通過自相關函數的統計自相關譜來量化。

圖3.單原子模型與SAC-FCS分析

SAC-FCS的應用和擴展

作者將SAC-FCS方法的應用擴展到FeN_x/C SACs體系（其中x表示Fe原子的第一殼層N配位數，x=4, 5, 6），該體系由原子分散的Fe與多個N位點配位結構組成。像差校正的STEM和EDS顯示，Fe原子分散在碳載體上，Fe和N原子均勻分布在整個結構域。在STEM中，不同的FeN_x/C-b SACs的Fe單原子密度逐漸增加，沒有任何金屬團簇或納米顆粒，表明限制MOF前驅體有利于原子彌散。在一定范圍內，隨著Fe原子負載量的增加，實際活性位點的比值沒有明顯變化，因此增加金屬負載可在一定程度上提高表觀活性。

圖3. SAC-FCS鑒定活性位點

密度泛函理論（DFT）計算，表明FeN₅位點的有利機理。根據FeN_x/C原子中心電荷密度差發現，不對稱的FeN₅配位結構顯著改變了電子結構，拉伸了Fe-N鍵，增強了Fe-N電荷轉移，并通過電子推入效應激活氧分子。同時，中心Fe位點的偏態密度（PDOS）顯示，FeN₅中d-帶中心的負位移，導致含氧中間體（*OOH*、*O和*OH）在FeN₅位點上的吸附強度較弱，而氧還原活性較高。FeN_x/C SACs的回收實驗表明，在經過5次循環后，轉化率和選擇性沒有明顯下降，表明催化劑的穩定性顯著。

圖4.單原子動力學和機理分析

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