催化深刻影响着人类社会与现代科学的发展，催化剂在当代化学工业中扮演着核心角色，开发高效催化剂和相应可行的合成方法是化学及化工学科最重要的研究目标之一。
自上世纪60年代起，金属原子利用率最优且催化位点及模式均一的异相金属催化剂开发一直未能得到发展，关键制约因素在于缺乏简易可行、广泛适用的单原子异相催化剂制备以及科学表征方法。
所幸，单原子催化领域的科研进展打破了这一僵局，开辟了新的道路。近日，中国科学院院士、清华大学化学系教授李亚栋因对“单原子催化”的发展和应用作出开创性贡献而获得2024未来科学大奖“物质科学奖”。
推动单原子催化的工业化进程
“如今绿色化工、能源革命依赖于催化科技创新，单原子催化便应运而生。”李亚栋如此介绍自己的研究领域。
何为催化？简而言之，催化是指化学反应在外来物质作用下反应速度加快的一种现象。外来物质被称作催化剂，反应速度加快的过程被称为催化过程。单原子催化是“单原子位点催化”的简称，指发生催化的活性位点落在一个原子上面，极大提高了金属原子的利用效率。
相较于传统催化剂，单原子催化剂理论上可达到100%的原子利用率，这一特性预示着其在推动现代化工产业升级换代方面的巨大潜力。
李亚栋最早的标志性成果当属他于2005年发表在Nature上的工作A general strategy for nanocrystal synthesis。他通过纳米晶“液相-固相-溶液”界面调控机制，实现了不同类型纳米晶的可控制备，包括贵金属、磁性材料、半导体等材料，都可以通过这一种方法制备得到。这一重要研究成果入选“2005年度中国基础研究十大新闻”。
近年来，李亚栋将研究重心转移至单原子催化。他将单原子催化的发展划分为三个阶段：第一阶段证实新发现，研究科学内涵和未来前景；第二阶段建立合成方法，打造单原子催化剂“工具箱”；第三阶段是单原子催化剂的大规模工业化应用，专利向爱好和平的国家开放，造福全人类。
当下，第二阶段即将完成，第三阶段已拉开序幕。
基于过去数十年积累的纳米材料合成经验，李亚栋带领团队系统性地开发了可设计、可控且具有普适性的单原子催化剂合成方法。目前，团队几乎可以把元素周期表里的重要催化元素都变成单原子催化剂，并且实现了将纳米催化剂直接转化为单原子催化剂的创新技术，极大推进了单原子催化的工业化进程。
那么，现在单原子催化距离大规模工业化运营还有多远呢？李亚栋认为，目前单原子催化的中、早期阶段已基本完成，他举了一个形象的例子：“我们的中药铺建好了，现在到了可以根据疾病的不同症状对症下药的阶段了。”
“比如汽车尾气催化剂，润滑油氢化等工业化中试试验正在进行中，顺利的话，今年年底就可能进行成果鉴定，建立规模化示范。乐观估计在未来两三年，单原子催化在相关领域会大规模工业化。”
科研方向在探索中逐渐确定
李亚栋的科研之旅，是一段既丰富多彩又充满曲折的故事。
1986年从安徽师范大学本科毕业时，他的成绩并不突出。因为那时的他不爱交作业，更喜欢深入阅读参考书，拓宽知识面。
尽管化学成绩不太好，但他很自信，觉得只要愿意学，就能学好。“我的经历不好跟年轻人讲的，否则他们也像我这样学就不好了。”李亚栋打趣道。
毕业后，他在家乡县城担任中学教师。两年的时间里，他感受到职业生涯的平淡无奇，于是毅然决定重返学术殿堂，在中国科学技术大学攻读硕士研究生。
当时，他的同学大多是名校背景，普通本科院校毕业的李亚栋觉得“自己并不比他们差”。毕业后，他顺利留校任教，从助教做到了副教授。期间，他因生活压力而短暂涉足企业兼职。这段经历虽艰辛，却也磨砺了他的意志与韧性。
很让人意外的是，此时的他，依然没有和化学建立太深的联系。直到在中国科学技术大学化学系读博期间，李亚栋才慢慢地对化学产生了兴趣。
回望过往，李亚栋表示：“其实人在最早期的成长过程中不一定知道自己到底适合做什么，也不知道自己的兴趣有多大，可以边走边做，只要自信心还在，就一定还有机会。”
李亚栋（左二）指导学生实验
科研应该鼓励做“量”的积累
尽管未来科学大奖给他的获奖理由是“对‘单原子催化’的发展和应用所作出的开创性贡献”，但一贯直言快语的李亚栋坦言，自己的工作并非“从0到1”。
李亚栋表示：“如果按照‘从0到1’定义的话，我认为在当今世界几乎没有，科学的发展都是在继承前人的基础上，坚持做下去，才能找到机遇和挑战。”
据他观察，很多科研成果，最早都是发现了某些现象或得到的结论与教科书中已有知识不一致，才让科学家产生了疑问，为了搞清楚其中奥秘，就根据已有知识和现有的工具、方法进行探索，大胆提出假设和猜想进行验证，最后变成一个系统性的成果。
李亚栋认为，一味强调所谓原始创新，是另一种浮躁和不自信的表现。做科研，应该是很多人在不同领域、不同方向找到不同问题，一步一个脚印地把这个领域向前推，形成一个百花齐放的局面，绝对不能投机取巧。
“我们应当鼓励那些踏踏实实在某个领域长期坚持独立思考、做‘量’的积累的科技工作者。尊重科学规律，就一定会实现从量变到质变的飞跃。”
参考资料：
1.“清华大学”公众号.祝贺！清华院士获奖！
2.《中国科学报》.李亚栋院士：过度强调“原创性”是一种浮躁
3.“清华大学化学系”公众号.化学系教授李亚栋荣获2024未来科学大奖
4.《教育家》.因循守旧的应试教育很难培养出创新人才——访中国科学院院士、安徽师范大学校长李亚栋
5.“搜狐科技”公众号.对话“不刷题”的李亚栋院士：很多习题毫无价值，搞科研最重要的是发现问题
6.“知识分子”公众号.2024年未来科学大奖获奖名单公布，长期主义者的胜利
制作：北京市科协融媒体中心
整理：赵玲
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