中国科学家原创“单原子催化”获国家自然科学奖一等奖

中新网北京7月8日电 (记者 孙自法)成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂、在国际上率先提出“单原子催化”新概念……这项由中国科学家原创完成、在催化科学百余年发展历程中烙上“中国印”的重要科研成果，7月8日在北京摘得国家自然科学奖一等奖。

中国首创

“单原子催化”获奖成果由中国科学院大连化学物理研究所(大连化物所)张涛院士、清华大学李隽院士和大连化物所王爱琴、乔波涛、杨小峰研究员等共同完成。

张涛院士、杨小峰研究员、李隽院士(从左至右)讨论交流。中国科学院大连化物所 供图

他们介绍，催化堪称现代化学工业的“心脏”，在能源转化、材料合成、环境保护乃至生命健康等领域，都发挥着不可替代的重要作用，与人们衣食住行的日常生活也密切相关。其中，工业催化通过其工艺和产品，贡献了约20%的国内生产总值。

催化的本质是反应物在“活性位”作用下加速向产物转化的过程，因此，如何最大化“活性位”数量并实现原子尺度的精准构筑，是催化科学长期追求的目标和艰巨挑战。

自20世纪80年代起，张涛率团队致力于高分散金属催化的基础与应用研究，力求在原子水平上准确理解催化过程，并实现催化剂的理性设计与调控。

经过20余年的潜心钻研与攻关，研究团队于2009年成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂。在此基础上，张涛、李隽联合美国亚利桑那州立大学刘景月教授等，以构筑原子精准“活性位”、最大化金属原子利用率为目标，于2011年在国际上率先提出“单原子催化”(Single－Atom Catalysis，SAC)新概念。

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。

张涛指出，“单原子催化”将多相催化领域对“活性位”的认识从传统的微米、纳米尺度推进到更加微观和精准的原子尺度，为原子精准催化奠定基础。这不仅开辟催化学科研究的新方向，更对实现金属原子利用率的最大化、开发新一代高效低成本催化剂，具有非常重要的应用价值。

三大创新

产生广泛和重大国际影响的“单原子催化”成果，其主要科学发现包括提出“单原子催化”新概念、拓展“单原子催化”新反应、揭示动态“单原子催化”新机制等三大创新。

张涛院士。中国科学院大连化物所 供图

首次提出“单原子催化”新概念，开辟了新的研究领域。研究团队在长期研究负载型金属催化剂的基础上，成功创制国际首例负载型实用单原子催化剂，获得比纳米催化剂更高的活性和选择性；从原子水平阐明单原子在载体上的结构特征，揭示出单原子和载体协同催化的新机理。

“单原子催化”概念的提出引发了国际上百余个国家、数千个研究组跟进研究，得到广泛关注和认可，成为国际催化领域最活跃的研究前沿之一。

拓展“单原子催化”新反应，阐明单原子催化特征与机理。在国际上率先开展单原子催化的硝基芳烃选择加氢、碳－氢(C－H)键选择氧化、烯烃氢甲酰化等重要反应，获得传统金属催化剂难以获得的高活性／高选择性，引领该方向的研究；提出单原子配位环境是单原子催化剂最具特征性的描述符，发展表征和调控单原子配位环境的新方法和策略，建立配位数、电子态和催化性能的有效关联，阐明“单原子催化”特征与机理。

揭示动态“单原子催化”等新机制，发展单原子催化剂稳定性理论，为预测单原子催化剂的稳定性和反应性及构效关系奠定了基础；提出单团簇催化和动态“单原子催化”新概念和新机制，拓展了“单原子催化”的内涵和外延。

广泛影响

在“单原子催化”的持续引领下，中国科学家已实现其从基础研究走向工业应用的实践探索，“单原子催化”现已对催化和化学化工、材料、生物、能源环境等领域产生广泛影响。

“单原子催化”概念提出后，全球百余个国家、数千个课题组纷纷跟进，研究内容也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。目前，单原子催化剂已在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等方面实现工业应用。

李隽认为，研究团队通过理论研究，不仅解答了单原子催化剂为什么可以稳定、为什么可以催化，还明确了它如何来调控化学反应。这改变了以往如同“黑匣子炒菜”般对催化反应的理解模式。后续结合人工智能(AI)，还将实现“单原子催化”的精准设计、精准催化和精准预测。

张涛补充称，相信随着单原子催化与人工智能结合，将塑造原子精准催化研究新范式，使高效催化剂的理性设计成为可能，推动全球新能源和绿色化工的发展。

“单原子催化”研究团队主要成员合影。中国科学院大连化物所 供图

展望未来，研究团队为“单原子催化”后续研发定下“上货架”“上书架”两大清晰目标。前者是变成商品，实现重大工业应用；后者是将现有概念提升形成系统的理论体系，希望“把中国原创概念写进世界教科书”。

“过去，我和我的合作伙伴有幸站在前人肩膀上提出了‘单原子催化’的新概念。未来，我希望有更多的年轻科学家能站在我们的肩膀上，推动催化科学和化学的进一步发展。”张涛说。(完)