单原子催化剂（SACs）具有非常高的催化活性和高的原子利用率。目前，SAC已成为催化领域的前沿和先进功能材料。气凝胶是高度多孔的材料，其具有极低的密度和极高的孔隙率。这些孔隙在确定其性质（如表面反应活性和机械稳定性）方面起着关键作用。SACs和气凝胶的联合可以充分反映它们的结构优势，并产生新的增强效果。Li和Yu等人最近提出了“原子气凝胶材料”（AAMs）（或单原子气凝胶（SAAs））的概念，用以描述材料和催化领域中这种新型的单原子形式。根据“凝胶”的基本单位，AAM可分为两类：载体级AAMs（具有微米、纳米或亚纳米的孔结构）和原子级AAMs，具有原子缺陷或氧桥亚纳米孔结构）。前者（即单原子功能化气凝胶）的基本单元是纳米结构中的载体材料，而后者（即单原子构建的气凝胶）是原子结构中的单金属原子。原子缺陷或氧桥的AAM将是多相催化或非催化领域未来的重要发展方向。最后作者指出了这种新型“原子纳米系统”在实际应用中的设计建议、潜在挑战和应对策略。

图1 本综述的框架示意图

  气凝胶是指由基本的“纳米单元”(如纳米颗粒、纳米片、纳米线等)构建而成的超轻三维多孔材料(包括宏观泡沫状气凝胶和介观粉状气凝胶)。金属单原子材料是指金属原子以原子分散的状态分布在特定载体上(金属原子与之间存在配位化学键)的功能材料。单原子与气凝胶的结合可以产生高度创新的“原子纳米系统”。为此，作者在这篇综述中提出了“原子气凝胶材料(AAMs)(或单原子气凝胶(SAAs))”的新概念来说明这种独特的“原子纳米体系”，其中AAMs包括两个方面的基本含义(具体见图2):(1)金属单原子官能化宏观气凝胶(即“载体级AAMs”或“载体级SAAs”)和(2)金属单原子自组装介观气凝胶(即“原子级AAMs”或“原子级SAAs”)。

  (1) “载体级AAMs”（金属单原子功能化宏观气凝胶(即气凝胶负载单原子材料)）: 通常气凝胶(包括碳基气凝胶和金属气凝胶)是金属单原子的功能载体，其中金属单原子是具有高活性的催化(或非催化)组分(在少数情况下，载体也可以是活性组分)。这种AAMs的孔隙结构是基于几十纳米到几十微米的“载体纳米单元”和相关的介孔或大孔结构组装而成的。因此，这种AAMs就是所谓的“载体级AAMs” (见图2左)。

图2 AMMs的基本类型

  这两种类型的AAMs(即“载体级AAMs”和“原子级AAMs”)在纳米尺寸、比表面积和孔隙率等材料性质上有所不同。“载体级AAMs”继承了传统气凝胶(即载体)的孔隙结构特征(>90%高孔隙率)和机械物理性能(可压缩的宏观泡沫结构)，金属单原子的功能化赋予了气凝胶新的化学(或催化)性能。而“原子级AAMs”是由单个金属原子自组装而成的三维原子网络材料(原子空位比>30%或较大的原子间间距)。“原子级AAMs”通常可以是自支撑或独立的超薄二维纳米结构(厚度小于5 nm)或由特定载体支撑的氧桥原子团簇结构(0.5~2 nm纳米团簇)。

图3 原子级AMMs的设计建议

  论文信息：Zesheng Li et.al, Atomic Aerogel Materials (or single atom aerogels): an Interesting New Paradigm in Materials Science and Catalysis Science, Advanced Material, 2023, DOI: 10.1002/adma.202211221.

  https://doi.org/10.1002/adma.202211221