“單原子催化”(Single-Atom Catalysis)是為數(shù)不多由中國人提出并具有國際廣泛影響力的新概念。這項里程碑式的原創(chuàng)性研究觸發(fā)了單原子催化領(lǐng)域研究的爆發(fā)式發(fā)展，并迅速成長為活躍的新興催化研究領(lǐng)域。這一概念的提出人——中國科學(xué)院院士張濤，也因?qū)卧哟呋陌l(fā)展和應(yīng)用所作出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，獲2024未來科學(xué)大獎物質(zhì)科學(xué)獎。

　　“科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)充滿了偶然與必然，研究金屬催化劑幾十載，提出‘單原子催化劑’這一概念可以說是我科學(xué)研究生涯中的一個必然結(jié)果?！睆垵菏拷赵诮邮堋吨袊蟆酚浾卟稍L時表示。

　　迸發(fā)催化的思想火花

　　“1978年，年僅15歲的我就獲得破格參加高考的機會，進(jìn)入陜西理工大學(xué)化學(xué)系。也是1978年，中國科學(xué)院院長郭沫若發(fā)表了《科學(xué)的春天》，讓當(dāng)時每一位青年人都熱血沸騰，學(xué)習(xí)勁頭高漲。我也立志要當(dāng)一位科學(xué)家，去攀登世界科學(xué)的高峰。”談起科學(xué)報國的初衷，張濤院士如是說。

　　“大學(xué)畢業(yè)后，我有幸進(jìn)入中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所繼續(xù)深造，大連化物所‘不拘一格降人才’的選賢用能之心讓我倍感踏實，林勵吾、臧璟齡兩位導(dǎo)師也為我開啟了催化領(lǐng)域研究的大門?！睆垵菏炕仡欉M(jìn)入催化劑領(lǐng)域的原因時談道。

　　催化是人類現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)，80%以上的化學(xué)工業(yè)涉及催化技術(shù)，比如合成氨所用的鐵系催化劑、烯烴聚合所用的鋁鈦催化劑等。張濤院士最初的研究方向是金屬催化劑，貴金屬催化劑在催化領(lǐng)域占據(jù)重要地位，但是貴金屬資源稀缺、價格昂貴?！叭绾螌⒔饘俅呋瘎┓稚⒌酶?，以達(dá)到更好的催化效果，是研究的主要目標(biāo)。我們當(dāng)時給它取名叫作高分散金屬催化劑，現(xiàn)在回想起來其實就是單原子催化劑的雛形?！睆垵菏拷忉屨f。

　　追求化學(xué)的尺度極限

　　博士畢業(yè)后，他繼續(xù)在中國科學(xué)院大連化物所進(jìn)行科研工作，在1995年成立了自己的課題組，并在助推我國航空航天事業(yè)發(fā)展所需催化劑的研究應(yīng)用方面埋頭苦干十余年。

　　“剛開始擔(dān)任課題組長時，這個課題組非常困難。研究所一度覺得沒有任務(wù)，準(zhǔn)備解散這個課題組。導(dǎo)師林勵吾建議所領(lǐng)導(dǎo)讓我們這些年輕人去試試，沒準(zhǔn)還能把課題組救活?！睆垵菏炕貞浿鴦倓偨邮终n題組工作時候的情形。但就是在這樣的條件下，他們咬牙堅持，在進(jìn)行了多年的應(yīng)用研究之后，攢足了經(jīng)費，終于有實力投入前沿的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。

　　在2000年前后，他開始重新審視金屬催化劑這一領(lǐng)域的科學(xué)問題。當(dāng)時納米催化的概念非常火熱，想要另辟蹊徑，就要有所突破。

　　張濤院士繼續(xù)介紹道：“對于化學(xué)而言，原子的尺度就是極限。要提高催化劑的效率，首先要提高貴金屬原子利用率，將貴金屬高度分散在大比表面積的載體上，提高表面原子的比例，而催化認(rèn)知在空間尺度的最小極限就是原子尺度，達(dá)到活性金屬分散的極限，是催化領(lǐng)域長期追求的目標(biāo)之一?！毖刂@條路徑苦苦思索，金屬顆粒在研究團隊的“眼”中逐漸縮小，他們感知到微觀尺度下的納米金屬催化劑還有很大的分散空間和研究空間，追求極限的目標(biāo)就在前方……

　　萬事俱備，只欠東風(fēng)，隨著實驗設(shè)備的逐步完善，擁有高分辨率的球差電鏡誕生，單個原子的圖像可以被精準(zhǔn)捕捉。在兼具天時地利人和的2009年，張濤院士團隊與清華大學(xué)李雋教授和亞利桑那州立大學(xué)劉景月教授合作，實現(xiàn)了氧化鐵負(fù)載鉑單原子催化劑的制備，并發(fā)現(xiàn)它在一氧化碳的選擇氧化反應(yīng)中的活性是納米催化劑的2至3倍。他們對單原子催化劑的制備、表征、反應(yīng)、機理、理論模擬進(jìn)行了系統(tǒng)研究、協(xié)作攻關(guān)和反復(fù)驗證。

　　終于在2011年，張濤院士團隊在國際上提出了“單原子催化”這一概念，并制備出首例具有實用意義的單原子鉑催化劑。這一成就被認(rèn)為是單原子催化的里程碑。而這個里程碑式的突破，引發(fā)了單原子催化領(lǐng)域的形成和發(fā)展。

　　永遠(yuǎn)堅持的基礎(chǔ)研究

　　“單原子催化”概念的提出，把多相催化的活性位點認(rèn)識提高到了一個全新的高度。張濤院士介紹說，經(jīng)歷十幾年的發(fā)展，單原子催化已經(jīng)取得了很多學(xué)術(shù)成果，國際學(xué)術(shù)界僅2023年發(fā)表關(guān)于單原子催化的論文就超過3600篇，研究領(lǐng)域已經(jīng)延伸至多種金屬、載體和催化反應(yīng)，可以說周期表中一半以上的元素已實現(xiàn)單原子催化劑制備。此外，單原子催化在熱催化、光催化、電催化等30多種不同反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，在生物醫(yī)藥、酶催化、納米器件、原子制造等領(lǐng)域也帶來了新的發(fā)展和應(yīng)用。

　　在工業(yè)轉(zhuǎn)化方面，除了張濤院士團隊將單原子催化的概念用于航天航空催化劑領(lǐng)域，中國科學(xué)院大連化物所丁云杰團隊制備的單原子銠催化劑也已成功應(yīng)用于5萬噸級的工業(yè)乙烯氫甲?；b置，并穩(wěn)定運行超過4年；浙江工業(yè)大學(xué)工業(yè)催化研究所自主研發(fā)的單原子超穩(wěn)低汞催化劑，已在國內(nèi)多套裝置上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。張濤院士表示，單原子催化的科研成果要變成真正的生產(chǎn)力，變成真正可用的成果，還需要科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界共同抓緊努力，實現(xiàn)更多的單原子催化劑的工業(yè)化應(yīng)用，推動該類型材料在其他前沿領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新。

　　“上貨架，成為商品；上書架，寫入教科書，這是我們進(jìn)行科學(xué)研究的兩方面追求?！睆垵菏繌娬{(diào)，目前“單原子催化”這個原創(chuàng)概念已經(jīng)產(chǎn)生廣泛的國際影響，但要形成系統(tǒng)的理論體系，還需要通過大量的基礎(chǔ)研究，結(jié)合理論模擬與實驗研究，特別是通過人工智能賦能，形成完整的理論創(chuàng)新體系。

　　張濤院士進(jìn)一步表示，要形成完整的原創(chuàng)理論，還有很長的路要走。一方面，需要化學(xué)、物理、化學(xué)工程、計算數(shù)據(jù)科學(xué)等一系列基礎(chǔ)學(xué)科充分發(fā)揮作用，從不同的學(xué)科方向探索在原子尺度下催化科學(xué)的新特征、新挑戰(zhàn)及新應(yīng)用；另一方面，需要集中優(yōu)勢力量發(fā)展相關(guān)應(yīng)用技術(shù)，包括材料的化學(xué)合成、表征技術(shù)，拓展原位和工況條件下的測量技術(shù)，集成多種譜學(xué)、成像、結(jié)構(gòu)解析手段等。

　　總而言之，基礎(chǔ)研究是一切創(chuàng)新的源泉。張濤院士表示：“我當(dāng)選大連化物所所長后，提出的口號就是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究要相互欣賞、相互尊重、相互交流、相互合作。要從國家的重大需求中提煉出科學(xué)問題，然后針對這些問題進(jìn)行基礎(chǔ)研究。催化的‘黑匣子’還沒有完全打開，比如催化過程的動態(tài)研究，需要在比化學(xué)反應(yīng)更快的飛秒時間尺度下進(jìn)行觀測；再比如催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計如何與人工智能技術(shù)結(jié)合。這都需要更多的青年研究人員投身于此?！?/p>

　　當(dāng)前，在國家自然科學(xué)基金委的支持下，我國已成立了單原子催化基礎(chǔ)科學(xué)中心，國家有關(guān)部門陸續(xù)建設(shè)了一些大科學(xué)裝置，我國單原子催化研究的基礎(chǔ)條件大幅提升，已經(jīng)成為國際單原子催化研究的高地。單原子催化的春天已經(jīng)到來。