百年清华

李亚栋：从纳米到单原子，推动催化技术升级换代

2024-11-14 | 来源 光明网2024-11-13 |

本文系中国科学院院士、清华大学化学系教授、安徽师范大学校长、2024未来科学大奖“物质科学奖”获奖者之一李亚栋在“科学点燃青春”的青少年对话中的分享，光明网记者宋雅娟整理

催化在当今化工产业中占据着核心地位。从石油炼制到精细化学品合成，从环境保护到新能源开发，催化无处不在。那么，催化到底是什么？简而言之，催化是指化学反应在外来物质作用下反应速度加快的一种现象。外来物质被称作催化剂，反应速度加快的过程被称为催化过程。

在我的科研生涯中，我经历了从纳米材料合成到单原子催化的转变。在工业催化领域，尽管纳米颗粒催化剂已实现了广泛应用，但贵金属的稀缺性和高昂价格，严重增加了生产成本，阻碍了其大规模应用。因此，降低催化剂成本的同时提升金属纳米颗粒的活性、选择性和稳定性，成为我们的目标。因此，我开始关注并投身于单原子催化的研究。

单原子催化是“单原子位点催化”的简称，指发生催化的活性位点落在一个原子上面，极大提高了金属原子的利用效率。相较于传统催化剂，单原子催化剂理论上可达到100%的原子利用率，这一特性预示着其在推动现代化工产业升级换代方面的巨大潜力。

这个概念听起来简单，但实现起来却异常艰难。在过去几十年里，尽管科学家们一直在努力开发高效的异相金属催化剂，但金属原子的利用率始终无法突破瓶颈。直到我们提出了单原子催化的概念，并成功实现了单原子催化剂的合成与应用，这一领域才迎来了革命性的突破。

单原子催化具有许多传统催化剂无法比拟的优势。首先，它的原子利用率极高，理论上可以达到100%，这意味着我们可以更高效地利用贵金属资源。其次，单原子催化剂具有独特的电子结构和几何构型，这使得它在催化反应中表现出更高的活性和选择性。

然而，单原子催化也面临着许多挑战。比如，如何确保单原子催化剂的稳定性？如何在大规模合成中保持其催化性能？如何揭示单原子催化的反应机制？这些问题都需要我们不断探索和解决。

单原子催化作为一项前沿的科学技术，具有广泛的应用前景。在环境保护方面，单原子催化剂可以有效地催化降解空气中的有害物质，如甲醛、氮氧化物等，从而改善空气质量。在能源转化方面，单原子催化剂可以催化二氧化碳的还原反应，将二氧化碳转化为有用的燃料或其他化学品，这对于实现碳中和和可持续发展具有重要意义。此外，在化学合成、药物研发等领域，单原子催化剂也展现出巨大的潜力。

单原子催化剂的发现使人类的认知进入到了原子级水平层次，单原子催化的发现和合成制备，让我们有信心去挑战人类在物质科学的基础，并验证原子级精准制造能不能实现。如果单原子催化进入工业化示范成功，将有可能使人类进入单原子单分子的新时代，为人类在近代科学技术中的研究作出重要贡献。

目前，单原子催化技术还处于实验室研究阶段。但我们已经看到了它工业化应用的曙光。通过与多家企业的合作，我们正在努力推进单原子催化技术的产业化进程。我们相信，在不久的将来，单原子催化技术将成为推动现代化工产业升级换代的重要力量。



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