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催化在當今化工產業中占據著核心地位。從石油煉制到精細化學品合成，從環境保護到新能源開發，催化無處不在。那么，催化到底是什么？簡而言之，催化是指化學反應在外來物質作用下反應速度加快的一種現象。外來物質被稱作催化劑，反應速度加快的過程被稱為催化過程。

在我的科研生涯中，我經歷了從納米材料合成到單原子催化的轉變。在工業催化領域，盡管納米顆粒催化劑已實現了廣泛應用，但貴金屬的稀缺性和高昂價格，嚴重增加了生產成本，阻礙了其大規模應用。因此，降低催化劑成本的同時提升金屬納米顆粒的活性、選擇性和穩定性，成為我們的目標。因此，我開始關注并投身于單原子催化的研究。

單原子催化是“單原子位點催化”的簡稱，指發生催化的活性位點落在一個原子上面，極大提高了金屬原子的利用效率。相較于傳統催化劑，單原子催化劑理論上可達到100%的原子利用率，這一特性預示著其在推動現代化工產業升級換代方面的巨大潛力。

這個概念聽起來簡單，但實現起來卻異常艱難。在過去幾十年里，盡管科學家們一直在努力開發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，并成功實現了單原子催化劑的合成與應用，這一領域才迎來了革命性的突破。

單原子催化具有許多傳統催化劑無法比擬的優勢。首先，它的原子利用率極高，理論上可以達到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特的電子結構和幾何構型，這使得它在催化反應中表現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。比如，如何確保單原子催化劑的穩定性？如何在大規模合成中保持其催化性能？如何揭示單原子催化的反應機制？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前沿的科學技術，具有廣泛的應用前景。在環境保護方面，單原子催化劑可以有效地催化降解空氣中的有害物質，如甲醛、氮氧化物等，從而改善空氣質量。在能源轉化方面，單原子催化劑可以催化二氧化碳的還原反應，將二氧化碳轉化為有用的燃料或其他化學品，這對于實現碳中和和可持續發展具有重要意義。此外，在化學合成、藥物研發等領域，單原子催化劑也展現出巨大的潛力。

單原子催化劑的發現使人類的認知進入到了原子級水平層次，單原子催化的發現和合成制備，讓我們有信心去挑戰人類在物質科學的基礎，并驗證原子級精準制造能不能實現。如果單原子催化進入工業化示范成功，將有可能使人類進入單原子單分子的新時代，為人類在近代科學技術中的研究作出重要貢獻。

目前，單原子催化技術還處于實驗室研究階段。但我們已經看到了它工業化應用的曙光。通過與多家企業的合作，我們正在努力推進單原子催化技術的產業化進程。我們相信，在不久的將來，單原子催化技術將成為推動現代化工產業升級換代的重要力量。

（本文系中國科學院院士、清華大學化學系教授、安徽師范大學校長、2024未來科學大獎“物質科學獎”獲獎者之一李亞棟在“科學點燃青春”的青少年對話中的分享，光明網記者宋雅娟整理）

來源: 科學報國正當時

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