“单原子”，点亮催化科学之光——记2025年度国家自然科学奖一等奖“单原子催化”

编者按 7月8日，2025年度国家科学技术奖在京揭晓，共评选出258个获奖成果。石油和化工领域表现亮眼，获奖项目覆盖催化、新能源、新材料、绿色化工、油气开发、精细化工等重点方向，既瞄准国际前沿，又紧扣国家能源安全和产业升级的现实需求。自今日起，推出《2025国家科技奖成果巡礼》系列报道，解读代表性获奖项目，讲述石油和化工领域科技工作者攻坚克难、勇攀高峰的创新故事。

　　7月8日，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在北京举行。这一天，对于中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员张涛来说格外特殊，当天恰逢他的生日。由张涛院士牵头，与清华大学李隽院士，大连化物所王爱琴研究员、乔波涛研究员、杨小峰研究员共同完成的“单原子催化”成果，荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。习近平总书记在人民大会堂亲自为张涛院士颁发了奖励证书。这份沉甸甸的奖项，成为他收到的最特别的生日礼物。

　　“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。这项成果将催化研究尺度从纳米级推进到了更加微观和精准的原子级，开创了催化科学全新研究范式，标志着中国科学家在催化基础研究领域实现了从“跟跑”到“领跑”的历史性跨越。

　　挑战：催化科学百年“未解之谜”

　　自1894年德国化学家奥斯特瓦尔德正式提出催化的科学概念以来，催化科学已走过百余年历程。催化被誉为现代化学工业的“心脏”，在能源转化、材料合成、环境保护及生命健康等领域发挥着不可替代的重要作用。据张涛院士介绍，80%以上的化工过程都涉及催化技术，对国民生产总值的贡献超过20%。

　　催化是如何加快化学反应速度的?张涛院士用一个形象的比喻解释道：“原来的化学反应像翻越一座高山，山高路险不容易翻越过去。加入催化材料后，反应途径就变了，就像在高山底部打通隧道一样，使我们更容易翻过这座大山。”

　　1925年，科学家泰勒提出“活性中心”概念，成为现代催化理论的一个重要开端，为后续催化剂的设计、制备和理解催化反应机理奠定了重要的理论基础，开启了人们对催化剂构效关系长达百年的求索。然而，催化剂的活性中心究竟位于何处、以何种形态存在，长期以来犹如一个“黑箱子”，难以洞察其本质。这一问题在贵金属催化剂领域尤为突出。贵金属催化剂在石油化工、汽车尾气净化、燃料电池及航天航空等众多领域应用广泛，但资源极度稀缺，价格在过去几十年间呈数倍乃至数十倍的幅度攀升。“如何让贵金属催化剂里的每一个金属原子都发挥作用，这是一个非常有实用价值的研究目标。”张涛院士说。

　　求索：单原子催化概念“破土而生”

　　张涛院士与催化的缘分始于1983年。那一年，他进入大连化物所攻读研究生，1989年获得博士学位，导师是林励吾院士和臧璟龄研究员，均为国内高分散金属催化剂领域的知名专家。张涛的博士论文题目正是“高分散金属催化剂”，那时他在博士论文里就提出了单金属中心、多金属中心的概念，但受限于当时的实验方法与技术手段，始终无法获得直接证据。

　　博士毕业后，张涛先期承担了大量国家战略需求的研究工作，发明了许多实用型催化剂。待到具备独立开展研究的条件时，他又开始重新思考那个困扰他多年的问题：“工业催化剂体系这么复杂，包含着纳米、团簇甚至单个金属原子，很难构建一个明确构效关系。我们能否设计出一种催化剂，把每个金属原子都铺展和锚定在载体表面?这样就可以清楚地认定，载体表面的单个金属原子可不可以作为催化剂的活性中心，从而构建出明确的催化剂构效关系。”

　　本世纪初，张涛带领团队重新启动这一攻关，经过数年不懈努力，他们终于在2009年实现了这一设想，通过载体结构缺陷将铂原子锚定在氧化铁表面，构筑了单铂中心的活性位，成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂(Pt1/FeOx)。

　　关键突破也来自硬件设备的进步。球差校正电镜的出现，让直接观察单个原子成为可能。“我们可以直接看到铂的一个一个原子在氧化铁表面的图像，也就是在原子尺度拿到了直接的证据。”张涛院士说。他们还惊喜地发现，单原子催化剂比团簇活性高2到3倍，比纳米粒子活性高约10倍。

　　更重要的是，团队建立了整套单原子催化剂的鉴定方法和研究范式。“不光合成出来，而且要用各种方法来证明它是单原子催化剂。”张涛院士说，通过综合使用球差电镜、同步辐射光源、红外光谱、理论计算等物理化学手段，他们确立了单原子催化剂的综合表征模式。这一范式至今仍是国际同行遵循的标准模式。

　　2011年，张涛团队与李隽教授、亚利桑那州立大学刘景月教授等合作，在国际上率先提出“单原子催化(Single-Atom Catalysis)”新概念。他们还给出了清晰的定义：“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。”

　　这意味着，学界对催化剂的认识，从传统的微米尺度、纳米尺度，进一步深入到单原子的尺度。原子是化学的极限尺度，以化学的极限尺度来认知催化剂的结构与性能，正是“单原子催化”的科学价值所在。

　　燎原：原创概念引发“全球回响”

　　“单原子催化”概念一经提出，便引发国际学术界高度关注。

　　全球百余个国家、数千个课题组纷纷跟进研究。研究范畴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。

　　迄今，元素周期表中重要金属元素均已实现单原子分散。“我们是从贵金属催化剂开始做的，之后很多人就进入这个领域，从过渡金属到主族金属基本上都做了，现在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。”张涛院士介绍说。

　　“单原子催化”入选美国化学会《化学与工程新闻》“Top Research of 2016”、中国科学院改革开放四十年40项标志性重大科技成果及国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)发布的“2025年度化学领域十大新兴技术”。张涛院士因其在“单原子催化”领域的开创性贡献，先后荣获何梁何利科技进步奖、亚太催化成就奖、首届唐敖庆化学奖、未来科学大奖“物质科学奖”、科睿唯安“引文桂冠奖”、中国催化成就奖、德国洪堡奖、陈嘉庚化学科学奖等。

　　在“单原子催化”概念的持续引领下，我国科学家已实现其从基础研究走向工业应用的实践探索，在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等领域实现了工业应用。这一原创概念已对催化乃至化学化工、材料、生物、能源环境等领域产生了广泛而深远的影响。

　　新程：催化科学奔赴“精准时代”

　　面向未来，挑战与机遇并存。

　　张涛院士指出，进入单原子催化体系后，多相催化的一些传统概念可能会失效。比如金属分散度，两个不同的催化剂，分散度都是100%，但可能一个是单原子催化剂，另一个不一定是，无法借分散度加以区分。因此，单原子催化剂的微配位环境，即单原子与载体等的空间排布，成为新的描述符。今后的研究，可以聚焦通过精准控制微配位环境来调控单原子催化剂的性能。

　　表征手段也面临挑战。球差电镜造价高达数千万元，同步辐射光源更是投入巨大。“能不能有更好的办法来做，这是今后的一个挑战。”张涛院士直言。更为关键的是，催化反应的真实活性中心必须在原位甚至工况条件下表征，时间和空间尺度的挑战越来越大。

　　然而，机遇同样巨大。单原子催化剂的构效关系清晰，可为机器学习提供高质量的“标签数据”，有望成为催化科学最基本的数据模型体系。“建立世界水平的单原子催化机器学习体系和人工智能大模型，可以将催化剂合成从过去试错的时代，推进到一个精准、理性设计的时代。”这正是张涛院士团队正在努力的方向。

　　正如张涛院士所言：“我相信，‘单原子催化’与人工智能结合，将塑造原子精准催化研究的新范式，进一步推动全球新能源和绿色化工的发展。”这束由中国科学家点燃的原创之光，还将照向更远的远方。