氢能（H₂）具有很高的能量密度，被认为是未来替代传统化石燃料的主要清洁能源之一。其中，可再生能源驱动的电解水制氢反应是制备绿氢最理想的途径。为降低制氢成本、加快电解水技术广泛应用，构筑高活性、高稳定性、廉价的电催化剂意义重大。单原子催化剂（Single-atom catalysts, SACs）具有近100%的原子利用率以及明确的配位结构，在电解水反应中被广泛应用。然而，构筑高密度、高稳定的单原子催化剂，实现电解水工业级电流密度仍面临较大挑战。

针对以上难点，北京化工大学程道建教授团队与中国科学技术大学曾杰教授团队合作开发了“一步法”策略成功制备高密度Pt₁/Co(OH)₂和Ir₁/Co(OH)₂单原子催化剂，并将其分别用于阴极析氢反应和阳极析氧反应中。重要的是，Pt₁/Co(OH)₂和Ir₁/Co(OH)₂分别仅需要4 mV和178 mV便可达到10 mA cm^-2电流密度。通过碱水电解槽测试发现，Pt₁/Co(OH)₂ // Ir₁/Co(OH)₂系统表现出十分优异的质量活性，在2.0 V电压下可达到4.9 A/mg_{noble metal}电流密度。

通过X射线吸收光谱、球差电镜等技术对单原子催化剂在析氢和析氧反应中表面重构变化规律进行探讨。在析氧反应过程中，Ir单原子催化剂由Ir-Cl₆配位结构演化为Ir-O₆配位；而在析氢反应中，Pt单原子催化剂则由Pt-Cl₄配位结构转变为Pt三原子结构。密度泛函理论计算发现，重构的Ir-O₆单原子和Pt三原子位点分别提高了Ir-O成键轨道的占有率和Pt-H反键轨道的占有率，从而有助于O-O键的形成和氢的脱附，使得析氧反应和析氢反应活性得到极大增强。

最后，该“一步法”策略被成功拓展制备出其他20种单原子催化剂，该工作为建立单原子库提供了一种有效的方法。