編者按：習(xí)近平總書記指出，科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作。為助力高水平科技自立自強(qiáng)，中國科協(xié)科普部聯(lián)合光明網(wǎng)推出“錨定2035·院士談科學(xué)報(bào)國”系列文章，邀請各領(lǐng)域院士就我國當(dāng)下熱點(diǎn)科技問題給予權(quán)威解答，服務(wù)引導(dǎo)更多科技工作者提升科研科普能力，促進(jìn)全民科學(xué)素質(zhì)提升，為科技強(qiáng)國建設(shè)貢獻(xiàn)科普力量。
催化在當(dāng)今化工產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著核心地位。從石油煉制到精細(xì)化學(xué)品合成，從環(huán)境保護(hù)到新能源開發(fā)，催化無處不在。那么，催化到底是什么？簡而言之，催化是指化學(xué)反應(yīng)在外來物質(zhì)作用下反應(yīng)速度加快的一種現(xiàn)象。外來物質(zhì)被稱作催化劑，反應(yīng)速度加快的過程被稱為催化過程。
在我的科研生涯中，我經(jīng)歷了從納米材料合成到單原子催化的轉(zhuǎn)變。在工業(yè)催化領(lǐng)域，盡管納米顆粒催化劑已實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，但貴金屬的稀缺性和高昂價(jià)格，嚴(yán)重增加了生產(chǎn)成本，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，降低催化劑成本的同時(shí)提升金屬納米顆粒的活性、選擇性和穩(wěn)定性，成為我們的目標(biāo)。因此，我開始關(guān)注并投身于單原子催化的研究。
單原子催化是“單原子位點(diǎn)催化”的簡稱，指發(fā)生催化的活性位點(diǎn)落在一個(gè)原子上面，極大提高了金屬原子的利用效率。相較于傳統(tǒng)催化劑，單原子催化劑理論上可達(dá)到100%的原子利用率，這一特性預(yù)示著其在推動(dòng)現(xiàn)代化工產(chǎn)業(yè)升級換代方面的巨大潛力。
這個(gè)概念聽起來簡單，但實(shí)現(xiàn)起來卻異常艱難。在過去幾十年里，盡管科學(xué)家們一直在努力開發(fā)高效的異相金屬催化劑，但金屬原子的利用率始終無法突破瓶頸。直到我們提出了單原子催化的概念，并成功實(shí)現(xiàn)了單原子催化劑的合成與應(yīng)用，這一領(lǐng)域才迎來了革命性的突破。
單原子催化具有許多傳統(tǒng)催化劑無法比擬的優(yōu)勢。首先，它的原子利用率極高，理論上可以達(dá)到100%，這意味著我們可以更高效地利用貴金屬資源。其次，單原子催化劑具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和幾何構(gòu)型，這使得它在催化反應(yīng)中表現(xiàn)出更高的活性和選擇性。
然而，單原子催化也面臨著許多挑戰(zhàn)。比如，如何確保單原子催化劑的穩(wěn)定性？如何在大規(guī)模合成中保持其催化性能？如何揭示單原子催化的反應(yīng)機(jī)制？這些問題都需要我們不斷探索和解決。
單原子催化作為一項(xiàng)前沿的科學(xué)技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。在環(huán)境保護(hù)方面，單原子催化劑可以有效地催化降解空氣中的有害物質(zhì)，如甲醛、氮氧化物等，從而改善空氣質(zhì)量。在能源轉(zhuǎn)化方面，單原子催化劑可以催化二氧化碳的還原反應(yīng)，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的燃料或其他化學(xué)品，這對于實(shí)現(xiàn)碳中和和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。此外，在化學(xué)合成、藥物研發(fā)等領(lǐng)域，單原子催化劑也展現(xiàn)出巨大的潛力。
單原子催化劑的發(fā)現(xiàn)使人類的認(rèn)知進(jìn)入到了原子級水平層次，單原子催化的發(fā)現(xiàn)和合成制備，讓我們有信心去挑戰(zhàn)人類在物質(zhì)科學(xué)的基礎(chǔ)，并驗(yàn)證原子級精準(zhǔn)制造能不能實(shí)現(xiàn)。如果單原子催化進(jìn)入工業(yè)化示范成功，將有可能使人類進(jìn)入單原子單分子的新時(shí)代，為人類在近代科學(xué)技術(shù)中的研究作出重要貢獻(xiàn)。
目前，單原子催化技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。但我們已經(jīng)看到了它工業(yè)化應(yīng)用的曙光。通過與多家企業(yè)的合作，我們正在努力推進(jìn)單原子催化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我們相信，在不久的將來，單原子催化技術(shù)將成為推動(dòng)現(xiàn)代化工產(chǎn)業(yè)升級換代的重要力量。
（本文系中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)化學(xué)系教授、安徽師范大學(xué)校長、2024未來科學(xué)大獎(jiǎng)“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)?wù)咧焕顏啑澰凇翱茖W(xué)點(diǎn)燃青春”的青少年對話中的分享，光明網(wǎng)記者宋雅娟整理）
編輯：李華山
