近日，清芯未来研发团队在多年来传感器研发及产业化的基础上，与清华大学、北京大学、上海交通大学、中国科学院物理研究所、松山湖材料实验室、莱顿大学、青岛理工大学等单位研究组合作，对单原子催化剂在传感器领域的研究和应用进行了全面的评述。该评述以“单原子催化剂：高灵敏度和选择性传感器的促进剂”（Single-atom catalysts: promotors of highly sensitive and selective sensors）为题7月13日在线发表于国际顶级综述期刊《化学学会评论》（Chemical Society Review, IF=46.2）。
文章分析了各类基于单原子催化剂的传感器的工作原理，探究了传感器性能与单原子催化剂内在特性之间的关系，归纳了面向传感应用的单原子催化剂设计策略的发展，回顾了单原子催化剂在气、水和生物传感器中的新兴传感应用，并讨论了其未来的研究重点和挑战（图1）。
文章指出，尽管单原子催化剂在设计、合成和电子结构等方面的探索推动了传感器的发展，在气、水和生物传感器中也展现了各种新兴传感应用，但仍面临一些挑战：
（1）分析挑战。高灵敏度、强选择性和卓越的稳定性是传感器的长期追求目标。单原子催化剂仍处于研究早期阶段。特别是，单个金属原子固有的高表面能导致它们在长期工作后易团聚成团簇或纳米颗粒，从而降低传感器的灵敏度、选择性和稳定性。新的策略如缺陷工程有望稳定合成单原子位点。同时，单原子催化剂的强选择性的原因尚未完全明晰，需要加强原位表征手段以探明构效关系。
（2）技术挑战。在单原子负载量、配位环境控制和批量制备技术上仍存在挑战。虽然单原子催化剂在理论上具有100%的原子利用率，但其不均匀的负载限制了应用，单原子催化剂改性的传感电极在批量生产中可能存在明显差异，难以满足严格的工业生产标准。因此，开发更可靠的合成方法来大规模生产均匀的单原子催化剂是一个需要更多关注的挑战。
（3）工程化挑战。行业能否接受单原子催化剂的批量应用，取决于其制造成本和生产效率。通常单原子催化剂的制备需要系列步骤，因此必须考虑降低制备过程的复杂性和总成本，以及在此过程中产生的废液或废气等是否符合绿色工业生产标准。因此，简化单原子催化剂的制备工艺，采用绿色化学生产工艺，并提高产率是必要的。令人鼓舞的是，新兴技术例如机器学习将引导和优化单原子催化剂的合成工艺，微机电系统甚至纳米机电系统技术的进步则将为单原子催化剂传感器的尺寸缩小、功耗减小、成本降低提供更多可行途径。
（4）未来的健康和安全挑战。基于单原子催化剂传感器的未来发展也需要受到健康和安全的监管。例如用于环境监测、可穿戴监测、体内检测、农业食品检测等，用户将不可避免地担心纳米材料的毒性。因此，必须确保单原子催化剂在多种传感应用场景中是健康、环保的。
总体来看，单原子催化剂的开发为传感器带来了高性能、小尺寸和低成本方面的重大进步，从而能够在气、水和生物小分子分析中发展有前景的应用。尽管单原子催化剂仍面临挑战，但其独特的原子利用率和丰富的位点多样性有望不断开拓其在传感器领域的地位，并在不远的将来实现产业化应用。
清芯未来（TC Air Technology Limited Company）创始团队、研发工程师负责和参与了本项综述研究。