单原子催化获国家自然科学奖，如何赋能吃穿住行？

催化技术看似离日常生活很远，实则堪称现代工业的“引擎”。在粮食生产、能源转化、精细化工等领域，催化技术几乎无处不在，为全球GDP贡献约20%的份额。然而，催化的微观机理长期如同一个“黑匣子”难以破解。如今，一项来自中国的原创前沿概念正悄然改变这一局面，让“黑匣子”逐步变得透明。 2025年度国家科学技术奖近日揭晓，中国科学院大连化学物理研究所的“单原子催化”成果荣获国家自然科学奖一等奖。该成果的核心贡献在于将催化研究的尺度从纳米级直接推进到了原子级——这不仅是简单的“量变”，更是深刻的“质变”。
如今，“单原子催化”已成为全球催化研究的核心前沿方向。来自百余个国家、数千个科研团队纷纷跟进探索，众多项目已实现工业化落地。那么，究竟什么是“单原子催化”？这项技术又如何在能源、农业、环保、医药等领域引发变革？ 在化学世界里，催化剂绝非可有可无的“配角”，而是不可或缺的“最强助攻”。中国科学院院士、大连化学物理研究所研究员张涛形象地比喻：全社会80%以上的化学工业都依赖催化技术，其对GDP的贡献超过20%。 负载型贵金属催化剂在化工、环境和能源领域应用极为广泛。在航天航空等特殊领域，催化剂中贵金属的含量甚至可高达30%以上。然而，贵金属资源稀缺且价格昂贵，如何提升其利用效率始终是催化剂制备科学的核心难题。张涛院士曾与学生们探讨：“我们能否设计一种催化剂，让每个原子都均匀铺展在载体表面？如果能够明确认定单个原子是否能作为催化剂的活性中心，那么贵金属的性能将获得极大提升。” 2009年，张涛团队成功制备出国际上首例实用载体负载的单原子催化剂。随后，他们与清华大学李隽教授、亚利桑那州立大学刘景月教授等合作，于2011年在全球率先提出“单原子催化”这一全新概念。 张涛院士回忆：“比较幸运的是，我们发现单原子催化剂的活性比纳米团簇高2到3倍，比纳米粒子高约10倍。”他们通过综合手段——包括X射线吸收谱、红外光谱、理论模拟计算——建立了一整套鉴定单原子催化剂的方法体系。这不仅解决了“如何合成”的问题，还攻克了“如何证明它就是单原子催化剂”的难题，形成了一套标准研究范式。至今，全球从事单原子催化研究的学者仍沿用这套模式。 这份“幸运”背后，是二十余年的潜心钻研。作为中国科学家在国际上首次提出并系统发展的原创科学概念，“单原子催化”也是催化科学百余年来少数由中国科学家提出并获得国际广泛认可的重要概念之一。张涛院士解释道：“单原子催化剂是一种特殊的负载型金属催化剂，被负载的金属均以孤立的单个原子形式存在，不存在金属-金属键，仅与载体相互作用。每个原子只与载体表面发生作用，金属原子之间没有化学键。” 概念提出后，团队持续推进研究。他们拓展了单原子催化反应类型，率先将其应用于选择加氢反应，创建了定量识别和调控单原子配位环境的方法，并阐明了单原子催化的特征和机理。张涛院士表示：“我们对催化剂的认识，从过去传统的微米尺度、纳米尺度，深入到了单原子尺度。原子是化学的极限尺度，这意味着我们能够以化学的极限尺度来认识催化剂的结构，并将结构与性能关联起来。这对于未来开发新一代催化剂，特别是高效低成本的催化剂，具有非常重要的理论意义和潜在应用价值。” 单原子催化概念引领了国内外一大批杰出科学家和优秀研究团队投身这一领域。迄今为止，元素周期表中重要的金属元素均已实现单原子分散；单原子催化剂已被证实在50余种不同反应中性能优于传统催化剂。张涛院士补充道：“我们最初从贵金属催化剂起步，后来众多研究者进入该领域，从过渡金属到所有金属基本都进行了尝试，如今元素周期表上重要的金属元素都已实现了单原子催化剂的制备。” 在这一概念的指导下，国内外科学家已在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等领域实现了工业应用。张涛院士举例说：“比如备受关注的能源小分子转化，在化学里被认为是难度较大的课题，单原子催化同样有应用，包括甲烷转化、水转化、二氧化碳转化、氮气活化，以及热催化、电催化、光催化等，可产生不同产物。不仅在化学领域，在材料、生物、环境领域，单原子催化也都扮演了至关重要的角色。” 展望未来，研究团队为“单原子催化”设定了“上货架”和“上书架”两大明确目标。所谓“上货架”，就是要把概念转化为商品，实现重大工业应用；而“上书架”，则是将现有概念升华，形成系统的理论体系，最终目标是“把中国原创概念写进世界教科书”。