单原子催化的春天来临——访中国科学院院士张涛｜未来科学大奖获奖者

科技 2025-01-06 18:21 北京

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来源：中国化工报

作者：陈菲

“单原子催化”(Single-Atom Catalysis)是为数不多由中国人提出并具有国际广泛影响力的新概念。这项里程碑式的原创性研究触发了单原子催化领域研究的爆发式发展，并迅速成长为活跃的新兴催化研究领域。这一概念的提出人——中国科学院院士张涛，也因对单原子催化的发展和应用所作出的开创性贡献，获2024未来科学大奖-物质科学奖。

“科学家的发现充满了偶然与必然，研究金属催化剂几十载，提出‘单原子催化剂’这一概念可以说是我科学研究生涯中的一个必然结果。”张涛院士近日在接受《中国化工报》记者采访时表示。

张涛院士荣获2024未来科学大奖“物质科学奖”

迸发催化的思想火花

“1978年，年仅15岁的我就获得破格参加高考的机会，进入陕西理工大学化学系。也是1978年，中国科学院院长郭沫若发表了《科学的春天》，让当时每一位青年人都热血沸腾，学习劲头高涨。我也立志要当一位科学家，去攀登世界科学的高峰。”谈起科学报国的初衷，张涛院士如是说。

“大学毕业后，我有幸进入中国科学院大连化学物理研究所继续深造，大连化物所‘不拘一格降人才’的选贤用能之心让我倍感踏实，林励吾、臧璟龄两位导师也为我开启了催化领域研究的大门。”张涛院士回顾进入催化剂领域的原因时谈道。

催化是人类现代文明的基础，80%以上的化学工业涉及催化技术，比如合成氨所用的铁系催化剂、烯烃聚合所用的铝钛催化剂等。张涛院士最初的研究方向是金属催化剂，贵金属催化剂在催化领域占据重要地位，但是贵金属资源稀缺、价格昂贵。“如何将金属催化剂分散得更好，以达到更好的催化效果，是研究的主要目标。我们当时给它取名叫作高分散金属催化剂，现在回想起来其实就是单原子催化剂的雏形。”张涛院士解释说。

追求化学的尺度极限

博士毕业后，他继续在中国科学院大连化物所进行科研工作，在1995年成立了自己的课题组，并在助推我国航空航天事业发展所需催化剂的研究应用方面埋头苦干十余年。

“刚开始担任课题组长时，这个课题组非常困难。研究所一度觉得没有任务，准备解散这个课题组。导师林励吾建议所领导让我们这些年轻人去试试，没准还能把课题组救活。”张涛院士回忆着刚刚接手课题组工作时候的情形。但就是在这样的条件下，他们咬牙坚持，在进行了多年的应用研究之后，攒足了经费，终于有实力投入前沿的基础研究领域。

在2000年前后，他开始重新审视金属催化剂这一领域的科学问题。当时纳米催化的概念非常火热，想要另辟蹊径，就要有所突破。

张涛院士继续介绍道：“对于化学而言，原子的尺度就是极限。要提高催化剂的效率，首先要提高贵金属原子利用率，将贵金属高度分散在大比表面积的载体上，提高表面原子的比例，而催化认知在空间尺度的最小极限就是原子尺度，达到活性金属分散的极限，是催化领域长期追求的目标之一。”沿着这条路径苦苦思索，金属颗粒在研究团队的“眼”中逐渐缩小，他们感知到微观尺度下的纳米金属催化剂还有很大的分散空间和研究空间，追求极限的目标就在前方……

万事俱备，只欠东风，随着实验设备的逐步完善，拥有高分辨率的球差电镜诞生，单个原子的图像可以被精准捕捉。在兼具天时地利人和的2009年，张涛院士团队与清华大学李隽教授和亚利桑那州立大学刘景月教授合作，实现了氧化铁负载铂单原子催化剂的制备，并发现它在一氧化碳的选择氧化反应中的活性是纳米催化剂的2至3倍。他们对单原子催化剂的制备、表征、反应、机理、理论模拟进行了系统研究、协作攻关和反复验证。

终于在2011年，张涛院士团队在国际上提出了“单原子催化”这一概念，并制备出首例具有实用意义的单原子铂催化剂。这一成就被认为是单原子催化的里程碑。而这个里程碑式的突破，引发了单原子催化领域的形成和发展。

张涛在2024未来科学大奖颁奖典礼现场。

永远坚持的基础研究

“单原子催化”概念的提出，把多相催化的活性位点认识提高到了一个全新的高度。张涛院士介绍说，经历十几年的发展，单原子催化已经取得了很多学术成果，国际学术界仅2023年发表关于单原子催化的论文就超过3600篇，研究领域已经延伸至多种金属、载体和催化反应，可以说周期表中一半以上的元素已实现单原子催化剂制备。此外，单原子催化在热催化、光催化、电催化等30多种不同反应中展现出优异的催化性能，在生物医药、酶催化、纳米器件、原子制造等领域也带来了新的发展和应用。

在工业转化方面，除了张涛院士团队将单原子催化的概念用于航天航空催化剂领域，中国科学院大连化物所丁云杰团队制备的单原子铑催化剂也已成功应用于5万吨级的工业乙烯氢甲酰化装置，并稳定运行超过4年；浙江工业大学工业催化研究所自主研发的单原子超稳低汞催化剂，已在国内多套装置上实现产业化应用。张涛院士表示，单原子催化的科研成果要变成真正的生产力，变成真正可用的成果，还需要科学界和产业界共同抓紧努力，实现更多的单原子催化剂的工业化应用，推动该类型材料在其他前沿领域的应用创新。

“上货架，成为商品；上书架，写入教科书，这是我们进行科学研究的两方面追求。”张涛院士强调，目前“单原子催化”这个原创概念已经产生广泛的国际影响，但要形成系统的理论体系，还需要通过大量的基础研究，结合理论模拟与实验研究，特别是通过人工智能赋能，形成完整的理论创新体系。

张涛院士进一步表示，要形成完整的原创理论，还有很长的路要走。一方面，需要化学、物理、化学工程、计算数据科学等一系列基础学科充分发挥作用，从不同的学科方向探索在原子尺度下催化科学的新特征、新挑战及新应用；另一方面，需要集中优势力量发展相关应用技术，包括材料的化学合成、表征技术，拓展原位和工况条件下的测量技术，集成多种谱学、成像、结构解析手段等。

总而言之，基础研究是一切创新的源泉。张涛院士表示：“我当选大连化物所所长后，提出的口号就是基础研究和应用研究要相互欣赏、相互尊重、相互交流、相互合作。要从国家的重大需求中提炼出科学问题，然后针对这些问题进行基础研究。催化的‘黑匣子’还没有完全打开，比如催化过程的动态研究，需要在比化学反应更快的飞秒时间尺度下进行观测；再比如催化剂的结构设计如何与人工智能技术结合。这都需要更多的青年研究人员投身于此。”

当前，在国家自然科学基金委的支持下，我国已成立了单原子催化基础科学中心，国家有关部门陆续建设了一些大科学装置，我国单原子催化研究的基础条件大幅提升，已经成为国际单原子催化研究的高地。单原子催化的春天已经到来。

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Produced by Nature Research

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