荣获国家自然科学奖一等奖，走进 “单原子催化”项目背后的创新故事

导读

近日，由大连化物所张涛院士、清华大学李隽院士等人完成的“单原子催化”项目，获得2025年度国家自然科学奖一等奖。“单原子催化”是由我国科研团队在国际上首次提出并系统发展的原创科学概念，也是催化科学百余年发展历程中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。今天让我们走进“单原子催化”项目背后的创新故事。

【人民日报】国家自然科学奖一等奖：“单原子催化”

近日揭晓的2025年度国家科学技术奖中，由中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员张涛，中国科学院院士、清华大学教授李隽，团队成员王爱琴、乔波涛、杨小峰共同完成的“单原子催化”成果，获得2025年度国家自然科学奖一等奖。

“单原子催化”是由我国科研团队在国际上首次提出并发展的原创科学概念。目前，已有百余个国家的数千个研究团队投身该领域，仅2025年，国际学术界发表的相关论文就超过5000篇。“我希望‘单原子催化’能够引领世界催化研究的发展。”张涛表示。

张涛（左）、李隽（右）与杨小峰讨论“单原子催化”问题。

大连化物所是我国催化研究的重镇。20世纪80年代起，张涛就开始致力于高分散金属催化的基础与应用研究，力求在原子水平上准确理解催化过程，并实现催化剂的理性设计与调控。1995年，年仅32岁的张涛就被任命为课题组组长。他决心带领团队在基础研究领域闯出一片天地。

彼时，纳米催化正值“风口”。“纳米催化再往下做还有什么呢？”渐渐地，一个答案在张涛脑海里清晰起来，“如果把每一个原子都分开，让它们各自成为独立的活性中心，这种化学尺寸上的‘极限’一定能激发不同的催化活性。”循着这个想法，团队开始向着更基础、更微观、更艰深但也更富生命力的科学深处走去。

20余年的摸索，每一步都在把未知变成已知。2009年，团队终于成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂；2011年，“单原子催化”这一新概念被首次提出；团队进而拓展了“单原子催化”新反应，阐明了“单原子催化”的特征与机理，并发展了单原子催化剂稳定性理论……从概念创立到系统认知，“单原子催化”来到了国际学术舞台中央。

“单原子催化”，将多相催化领域对“活性位”的认识从传统的微纳尺度推进到更加微观和精准的原子尺度，为原子精准催化奠定了基础，开辟了新的研究领域，引领并推动了催化学科的发展。在“单原子催化”的带动下，国内外科学家已在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等方面实现了工业应用。

“埋头从事科学研究，一是好奇心的驱动，另外就是国家的需求。国家需要什么，那你就要把这个做出来。”张涛说。

【中国新闻网】为催化科学烙上“中国印” “单原子催化”获国家自然科学奖一等奖

成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂、在国际上率先提出“单原子催化”新概念……这项由中国科学家原创完成、在催化科学百余年发展历程中烙上“中国印”的重要科研成果，7月8日在北京摘得国家自然科学奖一等奖。

中国首创

“单原子催化”获奖成果由中国科学院大连化学物理研究所(大连化物所)张涛院士、清华大学李隽院士和大连化物所王爱琴、乔波涛、杨小峰研究员等共同完成。

张涛院士、杨小峰研究员、李隽院士(从左至右)讨论交流。中国科学院大连化物所 供图

他们介绍，催化堪称现代化学工业的“心脏”，在能源转化、材料合成、环境保护乃至生命健康等领域，都发挥着不可替代的重要作用，与人们衣食住行的日常生活也密切相关。其中，工业催化通过其工艺和产品，贡献了约20%的国内生产总值。

催化的本质是反应物在“活性位”作用下加速向产物转化的过程，因此，如何最大化“活性位”数量并实现原子尺度的精准构筑，是催化科学长期追求的目标和艰巨挑战。

自20世纪80年代起，张涛率团队致力于高分散金属催化的基础与应用研究，力求在原子水平上准确理解催化过程，并实现催化剂的理性设计与调控。

经过20余年的潜心钻研与攻关，研究团队于2009年成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂。在此基础上，张涛、李隽联合美国亚利桑那州立大学刘景月教授等，以构筑原子精准“活性位”、最大化金属原子利用率为目标，于2011年在国际上率先提出“单原子催化”(Single－Atom Catalysis，SAC)新概念。

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发展历程中，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。

张涛指出，“单原子催化”将多相催化领域对“活性位”的认识从传统的微米、纳米尺度推进到更加微观和精准的原子尺度，为原子精准催化奠定基础。这不仅开辟催化学科研究的新方向，更对实现金属原子利用率的最大化、开发新一代高效低成本催化剂，具有非常重要的应用价值。

三大创新

产生广泛和重大国际影响的“单原子催化”成果，其主要科学发现包括提出“单原子催化”新概念、拓展“单原子催化”新反应、揭示动态“单原子催化”新机制等三大创新。

张涛院士。中国科学院大连化物所 供图

首次提出“单原子催化”新概念，开辟了新的研究领域。研究团队在长期研究负载型金属催化剂的基础上，成功创制国际首例负载型实用单原子催化剂，获得比纳米催化剂更高的活性和选择性；从原子水平阐明单原子在载体上的结构特征，揭示出单原子和载体协同催化的新机理。

“单原子催化”概念的提出引发了国际上百余个国家、数千个研究组跟进研究，得到广泛关注和认可，成为国际催化领域最活跃的研究前沿之一。

拓展“单原子催化”新反应，阐明单原子催化特征与机理。在国际上率先开展单原子催化的硝基芳烃选择加氢、碳－氢(C－H)键选择氧化、烯烃氢甲酰化等重要反应，获得传统金属催化剂难以获得的高活性／高选择性，引领该方向的研究；提出单原子配位环境是单原子催化剂最具特征性的描述符，发展表征和调控单原子配位环境的新方法和策略，建立配位数、电子态和催化性能的有效关联，阐明“单原子催化”特征与机理。

揭示动态“单原子催化”等新机制，发展单原子催化剂稳定性理论，为预测单原子催化剂的稳定性和反应性及构效关系奠定了基础；提出单团簇催化和动态“单原子催化”新概念和新机制，拓展了“单原子催化”的内涵和外延。

广泛影响

在“单原子催化”的持续引领下，中国科学家已实现其从基础研究走向工业应用的实践探索，“单原子催化”现已对催化和化学化工、材料、生物、能源环境等领域产生广泛影响。

“单原子催化”概念提出后，全球百余个国家、数千个课题组纷纷跟进，研究内容也从最初的热催化迅速拓展至光催化与电催化，涵盖环境催化、能源转化、精细化学品合成、拟酶催化和碳资源高效利用等多个方向。目前，单原子催化剂已在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等方面实现工业应用。

李隽认为，研究团队通过理论研究，不仅解答了单原子催化剂为什么可以稳定、为什么可以催化，还明确了它如何来调控化学反应。这改变了以往如同“黑匣子炒菜”般对催化反应的理解模式。后续结合人工智能(AI)，还将实现“单原子催化”的精准设计、精准催化和精准预测。

张涛补充称，相信随着单原子催化与人工智能结合，将塑造原子精准催化研究新范式，使高效催化剂的理性设计成为可能，推动全球新能源和绿色化工的发展。

“单原子催化”研究团队主要成员合影。中国科学院大连化物所 供图

展望未来，研究团队为“单原子催化”后续研发定下“上货架”“上书架”两大清晰目标。前者是变成商品，实现重大工业应用；后者是将现有概念提升形成系统的理论体系，希望“把中国原创概念写进世界教科书”。

“过去，我和我的合作伙伴有幸站在前人肩膀上提出了‘单原子催化’的新概念。未来，我希望有更多的年轻科学家能站在我们的肩膀上，推动催化科学和化学的进一步发展。”张涛说。(完)

【大连化物所】一个原子·一群人·一条路 ——用“单原子”为催化科学烙下“中国印”

催化，堪称现代化学工业的“心脏”。在能源转化、材料合成、环境保护乃至生命健康等领域，都发挥着不可替代的重要作用。而催化的本质，是反应物在“活性位”的作用下加速转化为产物的过程，“活性位”的数量与微观结构，直接决定了催化反应的活性与选择性。因此，如何在原子尺度上最大化“活性位”数量、精准构筑“活性位”，既是催化科学长期追求的目标，也是一项艰巨挑战。

7月8日召开的国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）研究员张涛，中国科学院院士、清华大学教授李隽，大连化物所研究员王爱琴、研究员乔波涛、研究员杨小峰等共同完成的“单原子催化”成果，荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。

“单原子催化”是由我国科研团队在国际上首次提出并发展的原创科学概念，也是催化科学百余年发展历程中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。

“过去，我和我的合作伙伴有幸站在前人肩膀上提出了‘单原子催化’的新概念。未来，我希望有更多的年轻科学家能站在我们的肩膀上，推动催化科学和化学的进一步发展。”张涛说。

破局：在濒临解散的“危机”中点燃希望

时间倒回到1995年，彼时，张涛所在的课题组正陷入“青黄不接”的窘境。一方面，研究组现有的科研任务量不足以支撑课题组的稳定运转。另一方面，课题组团队出现了严重的人才断层——老专家们眼看着到了退休年龄，新的技术骨干却还尚未成熟。整个课题组就这样在“风雨飘摇”的处境中步履维艰，“如何生存下去”成了当时最大的问题。

危急关头，张涛的导师林励吾院士力排众议，提出了一个大胆的想法：“何不让年轻人试试？也许他们思想更活跃，能把课题组‘盘活’。”

就这样，刚刚32岁的张涛被任命为课题组组长。为了让课题组“活下去”，张涛带领团队“一肩双挑”，他们一边集智解决国家需求，一边利用课题组在金属催化方面的技术积累拓展其它领域，寻求更多的发展可能性。

令人欣喜的是，团队迎来了属于他们的“春天”：课题组任务增多，团队有了更为充裕的科研资源。此时，张涛作出了一个让众人意想不到的决定——带领团队重新回到前沿的基础科学研究领域。

彼时，纳米催化正值国际学术风口，张涛开始反复思考：“我们的根基是金属催化剂。那在纳米催化的基础上我们还能做什么？再往下做还有什么呢？”渐渐地，一个答案在他脑海中清晰起来：“如果把每一个原子都分开，让它们各自成为独立的活性中心，这种化学尺寸上的‘极限’一定能激发不同的催化活性。”这个想法，让他带领着他的团队开始向着更基础、更微观、更艰深、但也更富生命力的科学深处走去。

张涛院士

要想真正把基础研究这个“冷板凳”坐热，可不是件容易的事。张涛深知，基础研究真正需要的是沉下心来的持久深耕，以及敢于在“无人区”刨根问底的勇气。

一个小小的纳米粒子都因极易团聚而不能轻易稳定存在，更何况是更微观的原子。再加上当时的制备技术和表征水平受限，想要“看见”单个原子都如同天方夜谭；想要进一步控制住它们、研究它们的活性，更是难上加难。

但是，基于多年在高分散金属催化剂研究领域的深厚积累和那股不服输的韧劲儿，张涛团队坚信总有一天能把“单原子”世界的大门“敲”开。

逐光：在“黑匣子”的未知中看清本质

这条路，一走就是十多年。

在这期间，张涛团队不断摸索，每一步都在尝试把未知变成已知，无数次跌倒、无数次重新站起，只为那束他们坚信终会出现的光。追光路上，当然离不开关键硬件设备的加持。实验室利用国际先进的球差校正电子显微镜等高端表征技术，第一次拥有了在原子尺度上“看清”单个原子的能力。2009年，团队成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂（Pt1/FeOx），将铂的催化活性比传统纳米催化剂提高了两倍以上，贵金属用量却下降了70%到90%。 2011年，张涛团队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，通过催化剂的成功制备、理论的机理研究、仪器的精准表征这一系列扎实的“组合拳”，在国际上率先提出了“单原子催化”新概念。

张涛院士（左）、李隽院士（右）

“我们通过理论研究，不仅解答了单原子催化剂为什么可以稳定，为什么可以催化，还搞清楚了它是如何来调控化学反应的。这改变了以往如同‘黑匣子炒菜’般对催化反应的理解模式。”李隽说。

李隽院士

“单原子催化”这一原创概念一经提出就引发国际学术界的广泛关注，并成为了多相催化领域最活跃的研究前沿之一，全球百余个国家、数千个课题组纷纷跟进，研究内容也从最初的热催化迅速拓展至光催化与电催化，涵盖环境催化、能源转化、精细化学品合成、拟酶催化和碳资源高效利用等多个方向。

这束光，照亮的是一条从概念创立到系统认知的完整路径。与此同时，越来越多的科学家们开始加入这个追光的队伍，一同向着放大应用与示范的方向不断前行。在“单原子催化”的指引下，国内外科学家已在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等方面实现了工业应用。

“我相信，随着单原子催化与人工智能结合，将塑造原子精准催化研究新范式，使高效催化剂的理性设计成为可能，推动全球新能源和绿色化工的发展。”张涛说。

燎原：在代代相传的“星火”中迈向未来

从高分散金属催化剂到“单原子催化”，张涛团队的转变如星火燎原，从一个个微观的金属原子出发，在基础研究的土壤中慢慢积蓄热度，在前沿探索的风向中持续点燃新的可能。这种“应用反哺基础、基础引领应用”的发展模式，也早已熔铸为团队的文化基因。

张涛回顾团队从濒临解散到前沿引领的历程，他说：“科学研究、科技进步发展，一个是好奇心的驱动，你会不断地去探知为什么，这个时候你会不断地思考，去研究它最深最本真的奥秘；另外一种驱动，就是国家的需求，或者是人类更大的需求为牵引。国家需要什么，那你就要把这个做出来。”

“以国家需求为己任”，这也正是大连化物所自1949年建所以来一脉相承的底色。七十余年来，大连化物所始终将自身发展融入国家战略大局。张涛团队正是扎根于这片学术“沃土”中，在大连化物所老一代科学家迎难而上、甘于奉献、舍我其谁的精神熏陶下，一步步成长起来，并用他们扎实的研究成果回应社会对科技创新的期待。

“研究所老一辈科学家留下的不仅是丰硕的科研成果，更是他们的品格和精神——这是激励我们不断前行的最宝贵财富。”王爱琴说。这份传承，激励着一代代大连化物所人不断前行。

王爱琴研究员

如今，张涛团队也在用自己的方式将这份精神的接力棒传递下去，他们深知，真正的薪火相传，不只是致敬过去，更是成就未来。因此团队一直在年轻科研人才培养方面倾注大量心血，他们始终勉励青年学生和科研骨干，要志存高远，以国家需求为导向，踏踏实实做“顶天立地”的科研。

早在张涛担任课题组长之初，也是研究组最困难的时期，这支团队就形成了独特的人才培养思路——“压担子、给机会”。2000年，团队就大胆地挑选了三位刚毕业的博士生进入核心科研队伍，让他们在科研一线的实战中扛任务、经历练，这使他们迅速完成了从校门到科研一线的转变，成为科研骨干。这种“在实战中育人”的培养模式，至今仍在延续。

“压担子、给机会”的核心不只是“给担子”，更是“给机会、给空间”——充分尊重青年人才的自主性和独立性，鼓励他们瞄准最前沿的方向大胆探索。乔波涛说：“做博士后期间，张老师给了我非常大的自由度，让我能够完全自主地去探索自己认为最有价值的前沿问题。但是另一方面，张老师对我们的要求也非常高，正是在这种既有压力又有空间的氛围中，我迅速成长起来。”

乔波涛研究员

“让不同学科背景的人相互碰撞、彼此托举，是我在‘单原子催化’团队中学习到的可贵理念，在这里，实验、理论与表征从来不是各干各的。这种鼓励学科交叉的文化，让我们在相互支撑中看到了更完整的科研图景。”杨小峰说。正是在这样严谨、包容、开放、协作的科研沃土上，一批批年轻科研人员在合作中被彼此“托举”起来，迅速站上了更高的平台。

张涛院士（左）、杨小峰研究员（中）、李隽院士（右）

从濒临解散到星火燎原，张涛团队用数十年时间证明了一件事：真正支撑一个团队的，不只是成果的累积，还有精神的传承、彼此的托举、一代代人朝着同一个方向奔跑的默契。张涛为团队定下了清晰的目标：“一要‘上货架’，变成商品；二要‘上书架’，写入教科书。”从“把成果写在祖国大地上”到“把中国原创概念写进世界教科书”，这支曾经濒临解散的团队，用数十年的坚守与突围，浇灌出“单原子催化”这一中国人原创的科学成果，走出了一条“逆袭”之路。如今，“单原子催化”方兴未艾，破局者仍在前行，逐光者仍在追光，燎原的星火还将照向更远的地方。（文/图 大连化物所）

来源：人民日报、中国新闻网、大连化物所