將單個原子有序組裝成納米尺度的高度周期性聚集體是高精度原子合成領域的一個有趣但具有挑戰性的過程。在這里，中國科學技術大學吳宇恩、周煌和中國科學院大學周武等發現平面內薄膜表面收縮可以誘導分子自組裝以排列具有非常規分布的單個原子，從而促成它們在碳條紋上的周期性一維偏析（一維單原子陣列（SAA））。這是由于金屬酞菁（MPc）分子在熱驅動和氯化鈉模板的幫助下逐漸聚集熔化形成薄膜，并伴隨著表面收縮、自組裝和深度碳化。在納米尺度上，這些周期性平行陣列是由于MPc分子相互作用通過π-π堆疊形成的。在原子尺度上，單個原子由垂直的酞菁衍生多層石墨烯穩定。

這可以顯著改變最外層石墨烯（例如，Fe基SAA）上單原子位點的電子結構，從而優化氧中間體的吸附能，并在無序單原子上產生優異的氧還原反應（ORR）性能。該文的研究結果為有序的單原子制造（例如Fe、Co和Cu）提供了一條通用途徑，并揭示了有序分配與催化性能之間的關系。

為了深入了解由單個原子的有序分布產生的構效關系，通過密度泛函理論 (DFT)計算研究了自由能分布和電子特性。五層 (5L) FeN₄模型根據 HAADF和 EXAFS結果表示條紋。為了比較，單層(1L) FeN₄模型代表了Fe原子在單層平面中的情況。結構弛豫后，5L FeN₄ 中Fe原子的距離（2.81 ?）顯著減小，表明條帶中Fe晶面位點之間存在強烈的相互作用。

此外，與1L FeN₄相比，明顯的層間電荷積累顯著改變了最外層的電荷分布（圖5d）。對于5L FeN₄，速率決定步驟是從*O中間體到*OH的轉變，而將*OH中間體轉化為H₂O對于1L FeN₄更為關鍵（圖 5e）。計算得出的5L FeN₄ (0.75 V)的起始電位高于1L FeN₄ (0.58 V) 的起始電位。部分態密度（PDOS）表明，隨著層的堆疊，Fe原子的d帶中心（ε_d）從-0.878 eV（1L FeN₄）變為-0.987 eV（5L FeN4）（圖5f），因此增加d帶中心和費米能級之間的能隙，削弱氧化中間體（*OOH、*O和*OH）的吸附自由能（ΔG_ads），最終降低反應過電位。

Lingxiao Wang, Jing Wang, Xiaoping Gao, Cai Chen, Yunli Da, Sicong Wang, Jia Yang, Zhiyuan Wang, Jia Song, Tao Yao, Wu Zhou*, Huang Zhou*, and Yuen Wu. Periodic One-Dimensional Single-Atom Arrays. J. Am. Chem. Soc. 2022,

https://doi.org/10.1021/jacs.2c05572