2025年度国家自然科学奖一等奖——单原子催化#

2025年度国家科学技术奖与基础研究战略布局#

催化技术作为现代化学工业的绝对核心支撑，广泛应用于能源转化、材料合成、环境保护和生命健康等多个关键领域，直接和间接贡献了全球约20%的国内生产总值（GDP）。长期以来，多相催化反应中固体表面催化活性位的微观结构及其化学演变由于缺乏均一的微观模型，被视作科研和工业生产中的“黑匣子”。将多相催化剂的活性位点从纳米尺度精准推向原子尺度极限，不仅是百年催化科学发展的终极梦想，更是实现贵金属资源高效利用与精准化学转化的基础科学瓶颈。

在2025年度国家科学技术奖励大会上，这一前沿基础研究领域迎来重大里程碑。由中国科学院大连化学物理研究所张涛院士领衔的“单原子催化”项目，摘得2025年度国家自然科学奖一等奖。该项由我国科学家在国际上首次提出并系统发展的原创科学概念，彻底改变了国际学术界对多相催化微观机制的认知，也为多相催化剂的理性设计奠定了坚实的科学基石。

单原子催化的理论奠基与历史演进#

基础研究者的执着轨迹与学科突破#

单原子催化概念的成功确立，凝聚了我国几代催化科学工作者数十年的探索心血。项目第一完成人张涛院士于1963年出生于陕西秦巴山区。1978年科学春天的到来，激发了其科学报国的志向。在政策允许高一优秀学生提前高考的背景下，他以优异成绩考入陕西理工大学化学系，并于1983年选择进入中国化学催化研究重镇——中国科学院大连化学物理研究所攻读硕士和博士学位。在导师林励吾院士、臧景龄研究员的悉心引导下，张涛逐步深入高分散金属催化剂这一极具挑战性的研究领域。

1995年，年仅32岁的张涛被任命为课题组组长。彼时，纳米催化正是国际前沿风口，但科学敏锐度促使他思考“纳米催化再往下做还有什么”。他提出，如果能将金属粒子完全拆散为独立的原子分散在载体表面，使每个原子均成为独立的活性位点，将不仅实现100%的理论原子利用率，还会因其化学尺寸极限激发颠覆性的催化性质。为了将这一近乎空想的科学假说变为现实，研究团队在面对单原子极易热力学团聚、常规电镜难以观测和微观化学机制不明确等多重科学屏障下，开展了长达二十余年的坚守与攻关。

张涛院士（左）、杨小峰研究员（中）、李隽院士（右）#

从实验发现到国际原创概念的确立#

2009年，张涛院士团队成功在氧化铁载体上制备出高度分散且热力学稳定的铂（Pt）单原子催化剂，这也是国际上首例具有实用载体支撑的负载型单原子催化剂。在此基础之上，团队联合清华大学李隽教授及美国亚利桑那州立大学刘景月教授等合作者，对该催化剂的微观配位结构、化学性质、电子特性和催化机制进行了系统的多维度验证。

2011年7月，合作团队在《自然-化学》（Nature Chemistry）上发表了里程碑式的学术论文，正式提出了“单原子催化（Single-Atom Catalysis, SAC）”这一原创学术概念。该研究工作发表后迅速引爆了国际多相催化领域的学术热潮。2017年，国家自然科学基金委员会相关负责人指出单原子催化已成为未来中国有望领跑世界的基础化学科学方向之一。2024年，张涛院士因在“单原子催化”概念的创立以及对后续催化领域的开拓性贡献，被授予2024未来科学大奖“物质科学奖”。

下表详细梳理了单原子催化领域自理论奠基以来的关键里程碑节点与代表性学术工作：

时间节点	核心里程碑事件	关键科学发现或学术贡献	国际反响与领域影响
2009年	首例实用单原子催化剂合成	成功在工业级氧化铁（ $FeO_x$ ）载体表面精准构筑并稳定了孤立的铂（ $Pt_1$ ）单原子，在一氧化碳（ $CO$ ）选择性氧化反应中表现出极高活性。	奠定了单原子催化制备与表征的实验可行性技术路径。
2011年	“单原子催化”概念首次确立（Nature Chemistry 2011, 3, 634）	合作发表奠基性论文，联合定义了“单原子催化”概念；利用同步辐射谱学与球差电镜证实了 $Pt_1/FeO_x$ 的孤立分散构型，运用理论计算揭示了其高价态 $5d$ 轨道局部化学状态。	标志着一个由中国科学家开创的国际前沿研究领域正式诞生。
2012年	新型反应拓展（Angew. Chem.）	将单原子催化成功拓展至多种不同的催化氢化及选择性转化反应中。	证实了单原子分散活性中心在多类化学反应中的普适性和高选择性。
2014年	超活活性位的发现（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4861）	成功构筑了用于水煤气变换（WGS）反应的 $Ir_1/FeO_x$ 单原子催化剂，单原子活性贡献达70%，其本征活性高出传统纳米催化剂一个数量级。	充分证明了单原子金属中心与氧化物界面之间的强电荷转移能够极大地调控基元能垒。
2020年	动态单原子催化机理提出（J. Am. Chem. Soc.）	清华大学李隽教授课题组揭示了过渡金属单原子在载体表面的动态重构规律，正式确立了动态单原子催化（DSAC）机理。	将单原子催化机理从“静态局域配位”认识提升至“反应条件下的动态演变”。
2024-2026年	国际大奖确立与最高学术荣誉授予	荣获2024未来科学大奖“物质科学奖”；“单原子催化”成果荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。	宣告了该原创理论在国内外科学界获得了最高的学术认可与尊崇。

单原子催化与单活性位非均相催化的科学区隔#

在学术界逐步接受单原子催化剂（Single-Atom Catalyst, SAC）的过程中，曾有学者将其与传统的单活性位非均相催化剂（Single-Site Heterogeneous Catalyst, SSHC）相混淆，认为其仅是后者的一个子集。然而，两者的物理结构、局域化学环境以及本征构效关系存在着本质的区隔。

下表详细对比了单原子催化剂与单活性位非均相催化剂的本质属性与差异：

科学属性维度	单原子催化剂（SAC）	单活性位非均相催化剂（SSHC）
定义与结构特征	专指固相载体上的所有金属组分均以单个孤立原子的形式分散存在。	指载体表面具有完全相同组成和微观几何结构的活性位点，无论该位点是单个原子还是固定组成的原子簇。
微观活性位均一性	不一定完全均一。由于实际固相氧化物或碳载体表面存在天然的不均匀性、台阶面及空位缺陷，导致不同位置上的金属单原子具有不同的局域配位环境和本征催化活性。	高度均一。理论上所有催化活性中心的微观配位、键长、键角及局部电子态完全一致，类似于均相络合物催化剂。
金属组分状态极限	必须达到化学极限尺度的绝对单原子分散。	可以是单原子，也可以是具有相同原子数和拓扑构型的超小原子簇或双核位点。
制备与表征难度	在非均匀的金属氧化物、碳基底上相对易于制备（借助缺陷和杂原子螯合即可实现单原子捕获）。	在多孔固体表面极其难以构筑，需要高度有序的载体（如特定的分子筛通道或特定的配体多孔框架）。
典型代表范例	碳基底锚定的过渡金属单原子催化剂（如 $Fe-N_4/C$ ）、氧化铁负载的铂单原子（ $Pt_1/FeO_x$ ）。	引入固定配位配体的规整多孔有机框架催化剂、具有特定骨架取代位置的沸石分子筛催化剂。

单原子催化的微观谱学表征与局域配位确证#

确证金属物种以完全孤立的单原子形式存在，且排除纳米颗粒或超小团簇的干扰，是单原子催化研究的技术门槛。这依赖于空间直观显微技术与元素特异性谱学表征的互补结合。

空间成像确证：球差校正电镜技术#

利用扫描隧道显微镜（STM）和球差校正高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）可以直接对分散于高比表面积载体表面的金属原子进行直观的高分辨率成像。由于 HAADF-STEM 的成像衬度正比于元素原子序数的平方（ $\sim Z^2$ ），高原子序数的重金属单原子（如铂 $Pt$ 、铱 $Ir$ 、金 $Au$ ）与低衬度的载体背景（如氧 $O$ 、碳 $C$ 、铁 $Fe$ ）之间能形成极强的衬度反差。在球差校正电镜下，可以清晰观测到呈亮斑分布的、孤立分散的金属原子，且在整个视野中未检测到任何大于 $0.2 \text{ nm}$ 的金属二维晶格或三维纳米团簇，从而提供了直观的几何形貌确证。

局域配位构型解析：同步辐射谱学技术#

为了获得统计学均一的微观化学环境，必须借助同步辐射光源开展 X 射线吸收谱学（XAS）测试，包括 X 射线吸收近边结构（XANES）和扩展 X 射线吸收精细结构（EXAFS）。

以奠基性的 $Pt_1/FeO_x$ 催化剂为例，其微观谱学特征表现为：

价态与电子构型（XANES）： $Pt$ 样品的 $Pt \ L_3$ 吸收边白线峰高度和形状与标准 $PtO_2$ 极为接近，但明显高于金属 $Pt$ 箔。这表明单原子铂中心处于显著带正电的高价态（表现出部分空置的 $5d$ 轨道），且带有强烈的亲电性。
配位环境与键长（EXAFS）：经过傅里叶变换的 $k^3$ 权重 EXAFS 光谱显示，在 $\sim 1.7 \ \text{Å}$ 处存在一个归属于第一配位壳层 $Pt-O$ 的强吸收峰（对应于 $Pt$ 单原子与氧化铁载体表面的氧原子形成强共价配位）。而最为关键的是，在 $\sim 2.7 \ \text{Å}$ 处完全没有出现 $Pt-Pt$ 配位特征峰（该峰通常是判定金属纳米颗粒或多核团簇存在的确凿证据）。此外，在 $\sim 2.5 \ \text{Å}$ 处仅检测到极其微弱的 $Pt-Fe$ 弱相互作用信号，表明单原子铂精确取代了载体表面铁原子的位置并被晶格氧牢牢嵌定。

除了电镜和吸收谱学，一氧化碳（ $CO$ ）原位红外吸收光谱（FTIR）亦是表征活性位状态的有力工具。由于单原子催化剂中活性金属原子的局部电子态均一，其吸附 $CO$ 后的红外线拉伸振动频率往往表现为单一对称的尖锐吸收峰，而含有金属晶面的纳米颗粒则会由于线型、桥式及缺陷吸附表现为多重且宽阔的红外吸收带。

电子结构量子调控与动态催化理论#

过渡金属d带中心量子模型及其适配#

过渡金属表面的本征催化活性本质上取决于其局部外层轨道与反应物分子的杂化重叠程度。作为描述过渡金属表面吸附强度的物理量，d带中心（ $\varepsilon_d$ ）反映了体系基态电子能级的分布重心。但在单原子催化体系中，由于金属原子呈孤立状态，传统的宽带重叠杂化理论必须修正为离散的“分子轨道”杂化模型：

$\varepsilon_d = \frac{\int_{-\infty}^{+\infty} E \cdot \rho_d(E) \, dE}{\int_{-\infty}^{+\infty} \rho_d(E) \, dE}$

由于缺乏相邻相同金属原子间的 $d-d$ 轨道交叠，单原子的 $d$ 带态密度 $\rho_d(E)$ 强烈地局域化为分立的能级，并受到载体配位阴原子（如氧、氮、硫）局部静电场和化学键合的强烈调制（即对称性诱导的晶体场分裂）。此时，单原子的特定 $d$ 轨道对称性（而非总的 $\varepsilon_d$ ）成为控制反应物活化方向的决定性因子。通过调节配位原子的化学性质和空间构型，可以使单原子的局部价轨道能级精准避开反应物的非活性强吸附区间，极大降低反应基元步骤的能垒。

动态单原子催化（DSAC）调控机制#

真实的催化反应是一个多组分动态演变的热力学非平衡过程。李隽院士课题组通过结合原位表征与量子化学理论计算发现，单原子活性位点并非一成不变地“死死锚定”在载体晶格中，而是随反应物气氛、反应温度的变化展现出高度的柔性动态变化规律，即动态单原子催化（Dynamic Single-Atom Catalysis, DSAC）。

在反应条件下（如一氧化碳氧化反应中的高温 $CO$ 气氛），高密度的强配位反应物分子能够暂时弱化金属单原子与载体晶格原子（如 $O$ 或 $N$ ）之间的共价结合键，诱导单原子从载体的局域限域位中动态脱出（如形成能隙游离的 $M_1-CO$ 活化中间态），大大提高了其化学转化活性。而在反应物解离或生成物脱附后，失去配位饱和度的单原子又在热力学驱动下重新回嵌至载体空位中，从而在避免烧结烧失的同时完成了高活性的基元催化循环。这种动态演变规律为从微观量子力学层面理性调控催化路径、打破“黑匣子炒菜”式的传统试错研发范式提供了深刻的理论支撑。

载体类型、调控策略与制备化学路径#

单原子催化剂的结构调控与性能优化，在很大程度上依赖于载体基底的选用与具体合成工艺流程。

为了使研究者和生产工程师对不同碳基单原子催化剂的合成路径有直观清晰的掌握，下表分类对比了近期文献中典型的碳载体单原子制备化学工艺及机制：

合成技术路径	代表性前驱体系统	核心合成机制与物理化学调控步骤	优缺点深度权衡
高温热解法	带有过渡金属配体的 MOF 材料（如 ZIF-8）、聚多巴胺包覆物、含氮小分子杂化物。	在受控惰性气氛（ $N_2, Ar$ ）或还原气氛（ $NH_3, H_2$ ）下进行高温热分解，利用挥发性组分（如 $Zn$ ）的升华拉开金属间距，同时释放多孔碳骨架捕获金属。	优点：所得催化剂具有优异的导电性、极高的孔隙率与丰富的多级孔结构。缺点：在高温热解中极易发生难以控制的局部烧结，金属实际负载量调控受限。
湿化学法	$g-C_3N_4$ 多孔聚合物、带有特定氨基/羧基功能基团的碳纳米管。	依靠溶液中金属阳离子与载体晶格中特定配位点（如 $C_3N_4$ 三角空腔内的吡啶氮）之间的螯合配位作用，或利用客体分子与碳主体的 $\pi-\pi$ 堆积实现自组装固定。	优点：合成条件温和，配位微环境高度均一，利于理性调节局域电子态。缺点：前驱体附着力有限，在后期焙烧活化时单原子较易发生表面迁移聚集。
物理/化学沉积法	石墨烯空位、缺陷丰富的碳载体膜，高能原子/离子辐照材料。	利用原子层沉积（ALD）或化学气相沉积（CVD）使气态金属前驱体选择性沉积于缺陷位；或者通过高能辐射在石墨烯上打出空位，再利用溅射填充金属。	优点：能实现精确到原子层级的厚度调控，所得催化位点的定位精度极高。缺点：仪器设备极其昂贵，操作条件严苛，产能极低，难以实现规模化生产。

除了上表详述的碳基载体系统，过渡金属氧化物（Oxides） 作为单原子催化中最为常用和经典的另一大类载体，其核心制备策略则主要通过共沉淀法、浸渍法或强静电吸附法，利用氧化物表面的羟基或晶格氧缺陷与过渡金属原子形成化学键合，实现单原子的长效热力学锚定。而将单原子合金化（SAA）策略应用到催化设计中，则开辟了制备具有高抗中毒能力和特定高选择性氢化催化剂的全新路径。

产业需求赋能与多相催化工业落地#

单原子催化原创理论绝非仅停留在学术殿堂的“书架”上，而是紧密结合国家重大能源转化与传统产业绿色升级的战略需求，实现了多项规模化工业落地与应用推广。

1. 煤制乙烯及多相烯烃氢甲酰化#

乙烯/丙烯等低碳烯烃的氢甲酰化反应（羰基合成）是生产高附加值醛类、醇类等精细化学品的重要工业支柱。传统工艺采用均相铑络合物催化剂，但面临极其繁琐的“催化剂与产物分离”难题，且面临贵金属流失的巨大经济损失风险。中国科学院大连化学物理研究所丁云杰研究团队在单原子催化概念的启发下，成功研制出二氧化硅负载的单原子铑（Rh）多相催化剂。该催化剂不仅完整保留了均相催化接近 100% 的极高化学选择性，更彻底解决了催化剂固体回收流失的行业痼疾。该技术已在我国成功建成了5万吨级的工业乙烯氢甲酰化装置，并已连续超稳安全运行超过4年，成为单原子催化走向规模化商品应用的一面旗帜。

2. 氯乙烯单体生产中的汞替代工程#

我国作为全球最大的聚氯乙烯（PVC）生产国，长期主要采用电石法生产路线，该法传统上必须依赖毒性极高、环境污染极其严重的剧毒氯化汞催化剂。浙江工业大学工业催化研究所基于单原子催化活性位点理论，精准设计并自主研发出单原子超稳低汞及无汞（如活性碳锚定的金/钌单原子）催化剂。由于其原子利用率高、配位环境抗烧结能力强，该催化剂在大幅降低汞消耗或完全消除汞污染的同时，表现出了极为优异的长效工业抗中毒稳定性，目前已在我国多套万吨级工业生产装置上实现规模化产业落地，为我国履行《关于汞的水俣公约》做出了重大的基础科技贡献。

3. 水煤气变换（WGS）与重整反应的效率飞跃#

水煤气变换反应（ $CO + H_2O \rightarrow CO_2 + H_2$ ）是工业制氢和合成气纯化的核心基石。张涛院士团队制备出的 $Ir_1/FeO_x$ 单原子催化剂在水煤气变换反应中展现出了极为惊人的催化本征活性。在 $300^\circ\text{C}$ 的工业测试条件下，其反应速率高达 $43.4 \ \text{mol}_{CO} \ \text{g}_{Ir}^{-1} \ \text{h}^{-1}$ ，不仅比其相对应的纳米颗粒或亚纳米团簇催化剂高出整整一个数量级，其活性表现甚至显著优于目前公认最先进的负载型金（ $Au$ ）基和铂（ $Pt$ ）基纳米催化剂，极大地提升了单位重金属原子的转换频率。

4. 现代电化学能量转换#

在新能源转换、质子交换膜燃料电池（PEMFC）及二氧化碳电化学还原等关键赛道中，电催化反应（如氧还原 ORR、析氢 HER、析氧 OER）的动力学过程极其迟缓。由于单原子催化剂具有明确、开放且高度对称的孤立电子活性中心（如石墨烯基底上的 $Fe-N_4$ 或 $Co-N_4$ 协同活性位），其在有效吸附反应物分子的同时，能大幅度降低电化学基元反应的过电位，从而在根本上减少了对昂贵贵金属铂（ $Pt$ ）的依赖，为下一代高性能、低成本燃料电池的产业化提供了坚实的技术通路。

关键技术屏障与未来双向演进展望#

尽管单原子催化在学术研究和特定工业示范中均取得了耀眼的成就，但在推动其进行更大范围的重化工业全面替代过程中，仍有数项关键技术屏障亟待攻克：

关键技术瓶颈与研发障碍#

高金属负载量与单原子分散的热力学矛盾：目前绝大多数能保证 100% 单原子分散的常规合成方法，其金属负载量往往被严格限制在极低的比例（通常 $< 1.5 \ \text{wt}\%$ ）。但在实际工业大空速、高通量的反应器中，过低的金属负载量意味着催化剂中活性位密度极低，会导致单位反应器体积的生产效率（空时收率）不满足建厂经济性指标。如何在维持绝对单原子分散、避免聚集烧结的前提下，突破化学极限，制备出高金属负载量（如 $> 5 \ \text{wt}\%$ 甚至 $> 10 \ \text{wt}\%$ ）的单原子催化剂，是制备化学界公认最急迫的科学瓶颈。
多电子反应中的协同局域活化受限：单原子催化剂由于仅提供单个孤立的过渡金属活性原子，在面对一些需要多个分子同时吸附活化或需要发生多电子快速转移的极难催化反应（如高难度的氮气分子活化合成氨、多步水氧化生成氧气等）时，往往表现出配位协同性不足的本征短板。在此背景下，双原子催化剂（Dual-Atom Catalysts, DAC） 的研发悄然兴起。双原子催化剂（特别是具有异核过渡金属活性位点的双核催化剂，如 $Fe-Co$ , $Ir-Fe$ 等）由于具备邻近的双活性原子，能通过双位点协同化学键合（桥联吸附），在多电子转移反应中展现出远超单原子的热力学和动力学催化优势，成为该前沿领域极富生命力的延伸方向。

“上书架”与“上货架”的双向演进战略#

展望未来的长期发展，张涛院士代表项目团队明确确立了“上书架”与“上货架”双向并进、协同演化的宏伟学科建设路径：

“上书架”：形成普适性的系统基础理论，写入教科书。团队致力于通过融合量子化学计算、人工智能机器学习（AI-assisted Materials Discovery）以及尖端的时间分辨、空间分辨原位表征谱学手段，将现有的零散经验规律升华为具有严密数理逻辑的系统理论体系。重点在原子、电子自旋能级及动态键合演变层面，阐明单原子催化剂的共性物理机制，将这一完全由中国科学家主导并开创的科学概念，体系化地写入世界化学与化工主流教科书，实现真正的基础理论国际领跑。
“上货架”：转化为规模化商品，服务国家重大产业需求。团队将坚持立足于国家重大战略和低碳化工环保需求，积极推动多学科、多产业联合攻关。致力于解决克级、千克级甚至吨级大批量工业制备工艺中的放大工程难题，推动单原子催化技术在精细精细化工、绿色制药、煤化工、国防航天推进剂分解及大容量新能源储能转化中的规模化应用。通过用化学和原子的力量提升能源利用效率与原子经济性，真正让这一前沿理论造福于国计民生。