单原子催化剂（SACs）是一种独特的负载型催化剂，其特点在于将单个金属原子均匀地锚定在催化剂支撑材料上，以最大限度地提高金属原子的有效利用率，并在各种催化反应中展现出卓越的性能。
碳作为支撑材料由于结构多样性和可定制性，使得碳支撑单原子催化剂（CS-SACs）受到广泛研究。然而，目前大多数碳基支撑材料的前驱体主要来自不可再生资源，其合成通常需要苛刻的高能耗条件。这种对合成前体的过度使用加剧了一系列环境问题，如能源短缺、气候变暖和环境污染。
在自然界中，碳是构建多种生物质（如植物、动物和微生物）的基本元素，不仅为材料科学提供生物启发，还为功能材料的创新和开发提供了一个天然的多功能工具箱。因此，利用生物质资源作为可再生前驱体合成 CS-SACs，可以显著减少先进功能材料对化石储备的依赖，推动可持续发展。
四川大学郭俊凌教授团队长期围绕植物多酚（植物单宁）在基础科学和前沿应用领域开展研究。自 2014 年与 Frank Caruso 教授团队共同定义了由 18 种金属离子构建的金属多酚网络材料平台，该团队深入研究了多酚独特的界面相互作用，发展了植物多酚高值转化体系。
植物多酚含有大量邻苯二酚和连苯三酚基团，不仅可以形成多重分子间相互作用力，还可以与元素周期表中的大部分金属配位组装。这样独特的分子结构使其成为有潜力的生物质碳基前体。
近日，受到 EES Catalysis 主编、澳大利亚阿德莱德大学 Shizhang Qiao 教授的特别邀请，四川大学郭俊凌教授团队概述了生物质衍生的 CS-SACs 合成的最新进展。该成果以“Nanostructured single-atom catalysts derived from natural building blocks（生物质基单原子催化剂的研究进展）”为题，发表在发英国皇家化学会期刊 EES Catalysis 上。
通讯作者为郭俊凌教授和何云翔副研究员（专职科研），第一作者为四川大学轻工科学与工程学院 2021 级博士研究生张亚静。该综述还包含阿尔托大学 Orlando Rojas 教授实验室赵斌博士宝贵的建议和指导。
作者首先介绍了 CS-SACs 代表性的合成策略和先进表征技术，为生物质基 CS-SACs 的合理设计提供了重要的指导。其次详细介绍了多种生物质前体，包括植物、动物和微生物，并对其化学成分、结构特征、催化性能以及纳入 CS-SACs 的设计原则进行了深入分析。最后进一步讨论了以生物质作为 CS-SACs 前体所面临的挑战和未来展望，为该领域未来的发展方向提供有价值的见解。
生物质材料的化学成分复杂，其热转化过程同样具有一定的复杂性。然而，通过精密的程序控制，能够设计出具有理想配位结构和活性位点的 CS-SACs。根据 CS-SACs 中生物质前体的来源和碳化环境，其一般的碳化策略可分为三类：直接碳化、添加金属盐的碳化、熔融盐辅助碳化和其他材料辅助碳化。考虑到碳化策略的高能耗和高成本，目前新兴的常温合成策略是一种在温和条件下合成 CS-SACs 的特殊制备方法。尽管这一策略有望实现 SACs 的工业化发展，但是其合成过程也受到前驱体内在功能的限制。
用于构建 CS-SACs 的生物质前体，作者将其总结为三类。
第一类 植物衍生的 CS-SACs
植物生物质（树木、农作物和草类）是地球上最丰富的可再生资源。代表性的结构材料［木材、超积累植物、固体生物废料（玉米丝、废咖啡渣和废纸）］、含糖功能分子（淀粉和纤维素）以及芳香族化合物（木质素和多酚）等都可以作为 CS-SACs 的前体。木材含有大量结晶纤维素，使其能够在碳化过程中保持原始结构和形态。废弃生物质（锯末和秸秆）是软质部分，容易水解成小块碎片，从而提供了球状多孔碳质支撑载体。木质素和多酚等高芳香族前体通常具有稳定的无孔结构和高度石墨化，而纤维素和半纤维素由于含有丰富的羟基，可通过分解产生大量微孔。不同的硬质或软质植物源，使 CS-SACs 的支撑载体具有丰富可调整的结构特性。
第二类 动物衍生的 CS-SACs
地球上的动物种类繁多，可以为 CS-SACs 的合成提供生物质前体。与植物相比，作为原料的动物生物质含有更为复杂的成分。以动物为前体制备的支撑物中基本都含有 N 元素，其中甲壳素和蛋白质是具有代表性的成分。N 原子中的未成对电子提高了 CS-SACs 的热稳定性，并增强了支撑物与金属原子之间的结合力。固有的 N 含量避免了在碳化过程中使用外部 N 源，这在工业规模上是非常理想的。目前制备 CS-SACs 的动物源生物质前体，包括动物器官或组织（猪肝、猪血、茧丝和羊毛）、大分子化合物（壳聚糖和明胶）以及小分子化合物（多巴胺）。
第三类 微生物衍生的 CS-SACs
微生物生物质是 CS-SAC 的一个不可忽视的重要来源，尤其是生长迅速、环境耐受性好，且具有光合作用的藻类。丰富的营养成分可以在衍生的碳质支撑物中引入多种杂原子和结构。这些前体是一种很有前景的可持续能源原料，也是化石燃料的替代品，因为它们在生长过程中会消耗温室气体。目前用于 CS-SACs 合成的微生物生物质前体，包括真核生物（大型真菌、大型藻类和微藻类）以及原核生物（微藻类和细菌）。
总结展望
本文重点介绍了各种生物质来源的 CS-SACs 的合成策略、不同类型的生物质前体、几何和电子性质以及催化应用等方面的最新进展；旨在推动基于生物质资源的 CS-SACs 的开发，加速催化领域的发展，并为将生物质有效转化为增值产品提供新的途径。作者提出了以下几点，以进一步促进生物质衍生的 CS-SACs 的工业化发展：
（1）充分发挥生物质废弃物的固有成分优势；
（2）深入挖掘某些天然生物质制备 SACs 的内在能力，替代传统碳化方法；
（3）探索生物医学方向的新应用；
（4）合理利用植物多酚的化学结构，设计其他次杂原子的掺杂；
（5）有效结合机器学习技术进一步推动生物质基 CS-SACs 的系统设计和精确制造。
