获国家自然科学奖的“单原子催化”成果如何赋能吃穿住行？

催化技术，听起来可能有点遥远，但它是现代工业的“心脏”。从粮食生产到能源转化，再到精细化工，催化技术几乎无处不在，贡献了全球约20%的GDP。然而，催化的微观机理长期以来就像个“黑匣子”，难以捉摸。如今，一项源自中国的原创前沿概念，正在悄然改变这一切，让这个“黑匣子”逐渐透明起来。 2025年度国家科学技术奖日前揭晓，中国科学院大连化学物理研究所的“单原子催化”成果，一举拿下国家自然科学奖一等奖。这项成果的核心贡献，是把催化研究的尺度从纳米级直接推进到了原子级——这可不是简单的“量变”，而是“质变”。
如今，“单原子催化”已经成为全球催化领域的核心前沿。百余个国家、数千个课题组都在跟进研究，已经有不少项目实现了工业化落地。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、医药等领域掀起变革？ 在化学世界里，催化剂从来不是可有可无的“配角”，而是必不可少的“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打了个比方：整个社会80%以上的化学工业都离不开催化技术，它对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广泛。在航天航空等特定领域，催化剂中贵金属的含量甚至能达到30%以上。但问题在于，贵金属资源稀缺，价格昂贵。如何提高贵金属的利用效率，一直是催化剂制备科学的核心难题。张涛院士曾和学生们讨论：“我们能不能设计出一种催化剂，让每个原子都铺展在载体表面？如果能清楚地认定单个原子能否作为催化剂的活性中心，那贵金属的性能就会得到极大提升。” 2009年，张涛团队成功制备出国际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年在国际上率先提出“单原子催化”这一新概念。 张涛院士回忆道：“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10倍左右。”他们通过综合手段——包括光源吸收谱、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。这不仅解决了“合成出来”的问题，还解决了“如何证明它就是单原子催化剂”的难题，形成了一套研究范式。直到今天，全世界做单原子催化的人，仍然在沿用这套模式。 这“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。每个原子只和载体表面相互作用，金属之间没有化学键。” 在概念提出后，团队持续推进研究。他们拓展了单原子催化反应，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。张涛院士说：“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，这意味着我们可以以化学的极限尺度来认识催化剂的结构，并把结构和性能关联起来。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这场研究。迄今为止，元素周期表中重要的金属元素都已经实现了单原子分散；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。张涛院士补充道：“我们一开始是从贵金属催化剂起步的，后来很多人进入这个领域，从过渡金属到所有金属基本都做了，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。” 在这一概念的指导下，国内外科学家已经在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等方面实现了工业应用。张涛院士举例说：“比如大家关注的能源小分子转化，在化学里被认为是比较难的，单原子催化也有应用，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，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非常重要的角色。” 展望未来，研究团队为“单原子催化”设定了“上货架”和“上书架”两大清晰目标。所谓“上货架”，就是要把概念变成商品，实现重大工业应用；而“上书架”，则是将现有概念提升，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”。