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

催化技术作为现代工业的获国化成核心支撑，深度渗透于粮食生产、家自能源转化及精细化工等关键领域，然科贡献了全球约20%的学奖GDP。长期以来，原催由于催化微观机理晦涩难解，果何该领域长期被视为科研界的吃穿“黑匣子”。如今，住行一项源自中国的获国化成原创性前沿概念，正逐步重塑各行业的家自底层发展逻辑。

在2025年度国家科学技术奖揭晓仪式上，然科中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）的学奖“单原子催化”成果荣获国家自然科学奖一等奖。这一里程碑式的原催突破，标志着催化研究的果何尺度正式从纳米级跨越至原子级。

目前，吃穿“单原子催化”已跃升为全球催化领域的核心前沿方向。全球百余个国家、数千个课题组紧随其后，推动该技术实现多项工业化落地。那么，究竟什么是“单原子催化”？这项前沿技术将如何具体赋能能源、农业、环保及医药等民生领域？

催化剂：化学工业的“最强助攻”

在化学工业中，催化剂绝非可有可无的辅助角色，而是不可或缺的核心要素。中国科学院院士、大连化物所研究员张涛指出，催化技术是现代化学工业的基石，对人类文明进步做出了巨大贡献。

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%。

突破瓶颈：从“昂贵稀缺”到“原子级利用”

负载型贵金属催化剂广泛应用于化工、环境和能源领域。在航天航空等高精尖领域，催化剂中的贵金属含量甚至高达30%以上。然而，贵金属资源稀缺且价格昂贵，因此，提高贵金属的原子利用效率成为催化剂制备科学亟待解决的核心难题。

针对这一痛点，张涛团队提出了极具前瞻性的设想：

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。

原创突破：确立“单原子催化”研究范式

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，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，于2011年在国际上率先提出“单原子催化”新概念。

这一概念不仅具有理论创新性，更在性能上实现了显著超越：

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。

这项成果背后，是团队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。

科学定义：打破金属-金属键

张涛对单原子催化剂给出了明确定义：

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。

在此基础上，团队持续推进研究，拓展了单原子催化的反应类型，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，并阐明了其催化特征与机理。

这一突破将人类对催化剂的认知从传统的微米、纳米尺度，深入到了单原子尺度——即化学的极限尺度。

张涛：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。

全球影响：覆盖周期表重要金属，赋能50余种反应

“单原子催化”概念的提出，引领了全球大批杰出科学家和研究团队投身于此，取得了一系列优异成果。

• 全覆盖：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。
• 高性能：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。

落地应用：从实验室走向“货架”

在“单原子催化”概念的指导下，国内外科学家已在多个关键领域实现了工业应用：

• 传统化工：氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工。
• 能源与环境：甲烷转化、水转化、二氧化碳转化、氮气活化。
• 多催化模式：涵盖热催化、电催化、光催化等多种路径，产生不同产物。

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。

未来愿景：“上货架”与“上书架”

展望未来，研究团队为“单原子催化”的后续发展确立了两大清晰目标：

1. “上货架”：推动技术转化为商品，实现重大工业应用，直接赋能“吃穿住行”。
2. “上书架”：将现有概念提升为系统的理论体系，希望“把中国原创概念写进世界教科书”。

（总台记者 朱敏）

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