获国家自然科学奖的“单原子催化”成果如何赋能吃穿住行？

来源：中央广播电视总台中国之声

催化技术是现代工业核心支撑，广泛应用于粮食生产、能源转化、精细化工等领域，贡献了世界约20%的GDP。长期以来，催化微观机理晦涩难解，被视作科研“黑匣子”。如今，一项源自中国的原创催化前沿概念，正在重塑各行各业的发展底色。

2025年度国家科学技术奖日前在京揭晓。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。正是这项成果将催化研究尺度从纳米级推进到原子级。

目前，单原子催化已成为全球催化领域的核心前沿，百余个国家、数千个课题组跟进研究，实现多项工业化落地应用。究竟什么是“单原子催化”？这项前沿技术将如何赋能能源、农业、环保、医药等诸多领域发展？

在化学里，催化剂不是可有可无的辅助，往往是必不可少的“最强助攻”。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介绍，催化是现代化学工业的核心技术，对人类文明作出了重大贡献。

张涛：整个社会80%以上的化学工业都要涉及催化技术，对GDP的贡献大于20%。

负载型贵金属催化剂广泛应用于化工、环境和能源等领域。在航天航空等一些特定领域，催化剂中贵金属含量甚至能达到30%以上。但贵金属资源稀缺、价格昂贵。因此，提高贵金属利用效率是催化剂制备科学的核心问题之一。

张涛：我们跟学生讨论：我们是否能设计出这样一种催化剂，把每个原子都铺展在我们的载体表面，这个时候我们可以清楚地认定单个原子可不可以作为催化剂的活性中心。如果是这样，那么贵金属打开的时候，它的性能会得到很大的提高。

张涛团队于2009年成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂，并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年在国际上率先提出“单原子催化”新概念。

张涛：比较幸运的是发现单原子催化剂其实比纳米团簇高2~3倍，比纳米粒子的活性高10倍左右。我们通过综合的手段，包括用光源做吸收谱，红外光谱，理论模拟计算，建立了整套如何鉴定单原子催化剂的手段。不光合成出来，而且要用综合的方法来证明它是一个单原子催化剂，建立了单原子催化剂研究范式。现在大家做单原子催化剂的时候，仍然采用我们这样的模式。

张涛口中的“幸运”其实经历了二十余年的潜心钻研与攻关。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：单原子催化剂是一种特殊的负载型金属催化剂，被负载的金属都以孤立的单个原子形式存在，没有金属-金属键，仅与载体相互作用，就是每个原子和表面载体相互作用，金属和金属之间没有化学键。

在单原子催化概念提出后，团队持续推进单原子催化相关研究。例如，拓展了单原子催化反应，率先将单原子催化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，阐明了单原子催化特征和机理。

张涛：我们对催化剂的认识，从过去传统的微米尺度、纳米尺度，深入到了单原子的尺度。原子是化学的极限尺度，也就是说我们可以以化学的极限尺度来认识催化剂的结构，以及把结构和性能进行关联。这样对于我们今后开发新一代的催化剂，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的应用价值。

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加入单原子催化研究，做出了一系列优异的成果。迄今为止，元素周期表中重要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余种不同反应中优于传统催化剂。

张涛：我们一开始是从贵金属催化剂开始做的，之后很多人就进入了这个领域，所以从过渡金属到所有的金属基本上都做了，现在元素周期表上重要的金属元素都已经实现了单原子催化剂的制备。

张涛表示，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、精细化工等方面实现了工业应用。

张涛：比如现在大家关注的能源小分子的转化，我们在化学里认为是比较难的，单原子催化也有应用。包括甲烷的转化，水的转化，二氧化碳的转化，氮气的活化，包括热催化、电催化、光催化，产生不同的产物。不光是在化学领域，在材料、生物、环境领域，单原子催化也都扮演了非常重要的角色。

展望未来，研究团队为“单原子催化”后续发展定下“上货架”“上书架”两大清晰目标。“上货架”是要变成商品，实现重大工业应用；“上书架”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”。

（总台记者 朱敏）