榮獲國家自然科學獎一等獎，走進 “單原子催化”項目背后的創新故事

導讀

近日，由大連化物所張濤院士、清華大學李雋院士等人完成的“單原子催化”項目，獲得2025年度國家自然科學獎一等獎。“單原子催化”是由我國科研團隊在國際上首次提出并系統發展的原創科學概念，也是催化科學百余年發展歷程中少數由中國科學家提出并獲得國際廣泛認可的重要概念之一。今天讓我們走進“單原子催化”項目背后的創新故事。

【人民日報】國家自然科學獎一等獎：“單原子催化”

近日揭曉的2025年度國家科學技術獎中，由中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員張濤，中國科學院院士、清華大學教授李雋，團隊成員王愛琴、喬波濤、楊小峰共同完成的“單原子催化”成果，獲得2025年度國家自然科學獎一等獎。

“單原子催化”是由我國科研團隊在國際上首次提出并發展的原創科學概念。目前，已有百余個國家的數千個研究團隊投身該領域，僅2025年，國際學術界發表的相關論文就超過5000篇。“我希望‘單原子催化’能夠引領世界催化研究的發展。”張濤表示。

張濤（左）、李雋（右）與楊小峰討論“單原子催化”問題。

大連化物所是我國催化研究的重鎮。20世紀80年代起，張濤就開始致力于高分散金屬催化的基礎與應用研究，力求在原子水平上準確理解催化過程，并實現催化劑的理性設計與調控。1995年，年僅32歲的張濤就被任命為課題組組長。他決心帶領團隊在基礎研究領域闖出一片天地。

彼時，納米催化正值“風口”。“納米催化再往下做還有什么呢？”漸漸地，一個答案在張濤腦海里清晰起來，“如果把每一個原子都分開，讓它們各自成為獨立的活性中心，這種化學尺寸上的‘極限’一定能激發不同的催化活性。”循著這個想法，團隊開始向著更基礎、更微觀、更艱深但也更富生命力的科學深處走去。

20余年的摸索，每一步都在把未知變成已知。2009年，團隊終于成功制備出國際首例實用載體負載的單原子催化劑；2011年，“單原子催化”這一新概念被首次提出；團隊進而拓展了“單原子催化”新反應，闡明了“單原子催化”的特征與機理，并發展了單原子催化劑穩定性理論……從概念創立到系統認知，“單原子催化”來到了國際學術舞臺中央。

“單原子催化”，將多相催化領域對“活性位”的認識從傳統的微納尺度推進到更加微觀和精準的原子尺度，為原子精準催化奠定了基礎，開辟了新的研究領域，引領并推動了催化學科的發展。在“單原子催化”的帶動下，國內外科學家已在氯乙烯生產、烯烴多相氫甲酰化、制藥、精細化工等方面實現了工業應用。

“埋頭從事科學研究，一是好奇心的驅動，另外就是國家的需求。國家需要什么，那你就要把這個做出來。”張濤說。

【中國新聞網】為催化科學烙上“中國印” “單原子催化”獲國家自然科學獎一等獎

成功制備出國際首例實用載體負載的單原子催化劑、在國際上率先提出“單原子催化”新概念……這項由中國科學家原創完成、在催化科學百余年發展歷程中烙上“中國印”的重要科研成果，7月8日在北京摘得國家自然科學獎一等獎。

中國首創

“單原子催化”獲獎成果由中國科學院大連化學物理研究所(大連化物所)張濤院士、清華大學李雋院士和大連化物所王愛琴、喬波濤、楊小峰研究員等共同完成。

張濤院士、楊小峰研究員、李雋院士(從左至右)討論交流。中國科學院大連化物所 供圖

他們介紹，催化堪稱現代化學工業的“心臟”，在能源轉化、材料合成、環境保護乃至生命健康等領域，都發揮著不可替代的重要作用，與人們衣食住行的日常生活也密切相關。其中，工業催化通過其工藝和產品，貢獻了約20%的國內生產總值。

催化的本質是反應物在“活性位”作用下加速向產物轉化的過程，因此，如何最大化“活性位”數量并實現原子尺度的精準構筑，是催化科學長期追求的目標和艱巨挑戰。

自20世紀80年代起，張濤率團隊致力于高分散金屬催化的基礎與應用研究，力求在原子水平上準確理解催化過程，并實現催化劑的理性設計與調控。

經過20余年的潛心鉆研與攻關，研究團隊于2009年成功制備出國際首例實用載體負載的單原子催化劑。在此基礎上，張濤、李雋聯合美國亞利桑那州立大學劉景月教授等，以構筑原子精準“活性位”、最大化金屬原子利用率為目標，于2011年在國際上率先提出“單原子催化”(Single－Atom Catalysis，SAC)新概念。

作為中國科學家在國際上首次提出并系統發展的原創科學概念，“單原子催化”也是催化科學百余年發展歷程中，少數由中國科學家提出并獲得國際廣泛認可的重要概念之一。

張濤指出，“單原子催化”將多相催化領域對“活性位”的認識從傳統的微米、納米尺度推進到更加微觀和精準的原子尺度，為原子精準催化奠定基礎。這不僅開辟催化學科研究的新方向，更對實現金屬原子利用率的最大化、開發新一代高效低成本催化劑，具有非常重要的應用價值。

三大創新

產生廣泛和重大國際影響的“單原子催化”成果，其主要科學發現包括提出“單原子催化”新概念、拓展“單原子催化”新反應、揭示動態“單原子催化”新機制等三大創新。

張濤院士。中國科學院大連化物所 供圖

首次提出“單原子催化”新概念，開辟了新的研究領域。研究團隊在長期研究負載型金屬催化劑的基礎上，成功創制國際首例負載型實用單原子催化劑，獲得比納米催化劑更高的活性和選擇性；從原子水平闡明單原子在載體上的結構特征，揭示出單原子和載體協同催化的新機理。

“單原子催化”概念的提出引發了國際上百余個國家、數千個研究組跟進研究，得到廣泛關注和認可，成為國際催化領域最活躍的研究前沿之一。

拓展“單原子催化”新反應，闡明單原子催化特征與機理。在國際上率先開展單原子催化的硝基芳烴選擇加氫、碳－氫(C－H)鍵選擇氧化、烯烴氫甲酰化等重要反應，獲得傳統金屬催化劑難以獲得的高活性／高選擇性，引領該方向的研究；提出單原子配位環境是單原子催化劑最具特征性的描述符，發展表征和調控單原子配位環境的新方法和策略，建立配位數、電子態和催化性能的有效關聯，闡明“單原子催化”特征與機理。

揭示動態“單原子催化”等新機制，發展單原子催化劑穩定性理論，為預測單原子催化劑的穩定性和反應性及構效關系奠定了基礎；提出單團簇催化和動態“單原子催化”新概念和新機制，拓展了“單原子催化”的內涵和外延。

廣泛影響

在“單原子催化”的持續引領下，中國科學家已實現其從基礎研究走向工業應用的實踐探索，“單原子催化”現已對催化和化學化工、材料、生物、能源環境等領域產生廣泛影響。

“單原子催化”概念提出后，全球百余個國家、數千個課題組紛紛跟進，研究內容也從最初的熱催化迅速拓展至光催化與電催化，涵蓋環境催化、能源轉化、精細化學品合成、擬酶催化和碳資源高效利用等多個方向。目前，單原子催化劑已在氯乙烯生產、烯烴多相氫甲酰化、制藥、精細化工等方面實現工業應用。

李雋認為，研究團隊通過理論研究，不僅解答了單原子催化劑為什么可以穩定、為什么可以催化，還明確了它如何來調控化學反應。這改變了以往如同“黑匣子炒菜”般對催化反應的理解模式。后續結合人工智能(AI)，還將實現“單原子催化”的精準設計、精準催化和精準預測。

張濤補充稱，相信隨著單原子催化與人工智能結合，將塑造原子精準催化研究新范式，使高效催化劑的理性設計成為可能，推動全球新能源和綠色化工的發展。

“單原子催化”研究團隊主要成員合影。中國科學院大連化物所 供圖

展望未來，研究團隊為“單原子催化”后續研發定下“上貨架”“上書架”兩大清晰目標。前者是變成商品，實現重大工業應用；后者是將現有概念提升形成系統的理論體系，希望“把中國原創概念寫進世界教科書”。

“過去，我和我的合作伙伴有幸站在前人肩膀上提出了‘單原子催化’的新概念。未來，我希望有更多的年輕科學家能站在我們的肩膀上，推動催化科學和化學的進一步發展。”張濤說。(完)

【大連化物所】一個原子·一群人·一條路 ——用“單原子”為催化科學烙下“中國印”

催化，堪稱現代化學工業的“心臟”。在能源轉化、材料合成、環境保護乃至生命健康等領域，都發揮著不可替代的重要作用。而催化的本質，是反應物在“活性位”的作用下加速轉化為產物的過程，“活性位”的數量與微觀結構，直接決定了催化反應的活性與選擇性。因此，如何在原子尺度上最大化“活性位”數量、精準構筑“活性位”，既是催化科學長期追求的目標，也是一項艱巨挑戰。

7月8日召開的國家科學技術獎勵大會、兩院院士大會、中國科協第十一次全國代表大會上，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）研究員張濤，中國科學院院士、清華大學教授李雋，大連化物所研究員王愛琴、研究員喬波濤、研究員楊小峰等共同完成的“單原子催化”成果，榮獲2025年度國家自然科學獎一等獎。

“單原子催化”是由我國科研團隊在國際上首次提出并發展的原創科學概念，也是催化科學百余年發展歷程中少數由中國科學家提出并獲得國際廣泛認可的重要概念之一。

“過去，我和我的合作伙伴有幸站在前人肩膀上提出了‘單原子催化’的新概念。未來，我希望有更多的年輕科學家能站在我們的肩膀上，推動催化科學和化學的進一步發展。”張濤說。

破局：在瀕臨解散的“危機”中點燃希望

時間倒回到1995年，彼時，張濤所在的課題組正陷入“青黃不接”的窘境。一方面，研究組現有的科研任務量不足以支撐課題組的穩定運轉。另一方面，課題組團隊出現了嚴重的人才斷層——老專家們眼看著到了退休年齡，新的技術骨干卻還尚未成熟。整個課題組就這樣在“風雨飄搖”的處境中步履維艱，“如何生存下去”成了當時最大的問題。

危急關頭，張濤的導師林勵吾院士力排眾議，提出了一個大膽的想法：“何不讓年輕人試試？也許他們思想更活躍，能把課題組‘盤活’。”

就這樣，剛剛32歲的張濤被任命為課題組組長。為了讓課題組“活下去”，張濤帶領團隊“一肩雙挑”，他們一邊集智解決國家需求，一邊利用課題組在金屬催化方面的技術積累拓展其它領域，尋求更多的發展可能性。

令人欣喜的是，團隊迎來了屬于他們的“春天”：課題組任務增多，團隊有了更為充裕的科研資源。此時，張濤作出了一個讓眾人意想不到的決定——帶領團隊重新回到前沿的基礎科學研究領域。

彼時，納米催化正值國際學術風口，張濤開始反復思考：“我們的根基是金屬催化劑。那在納米催化的基礎上我們還能做什么？再往下做還有什么呢？”漸漸地，一個答案在他腦海中清晰起來：“如果把每一個原子都分開，讓它們各自成為獨立的活性中心，這種化學尺寸上的‘極限’一定能激發不同的催化活性。”這個想法，讓他帶領著他的團隊開始向著更基礎、更微觀、更艱深、但也更富生命力的科學深處走去。

張濤院士

要想真正把基礎研究這個“冷板凳”坐熱，可不是件容易的事。張濤深知，基礎研究真正需要的是沉下心來的持久深耕，以及敢于在“無人區”刨根問底的勇氣。

一個小小的納米粒子都因極易團聚而不能輕易穩定存在，更何況是更微觀的原子。再加上當時的制備技術和表征水平受限，想要“看見”單個原子都如同天方夜譚；想要進一步控制住它們、研究它們的活性，更是難上加難。

但是，基于多年在高分散金屬催化劑研究領域的深厚積累和那股不服輸的韌勁兒，張濤團隊堅信總有一天能把“單原子”世界的大門“敲”開。

逐光：在“黑匣子”的未知中看清本質

這條路，一走就是十多年。

在這期間，張濤團隊不斷摸索，每一步都在嘗試把未知變成已知，無數次跌倒、無數次重新站起，只為那束他們堅信終會出現的光。追光路上，當然離不開關鍵硬件設備的加持。實驗室利用國際先進的球差校正電子顯微鏡等高端表征技術，第一次擁有了在原子尺度上“看清”單個原子的能力。2009年，團隊成功制備出國際首例實用載體負載的單原子催化劑（Pt1/FeOx），將鉑的催化活性比傳統納米催化劑提高了兩倍以上，貴金屬用量卻下降了70%到90%。 2011年，張濤團隊與清華大學李雋教授、亞利桑那州立大學劉景月教授等合作，通過催化劑的成功制備、理論的機理研究、儀器的精準表征這一系列扎實的“組合拳”，在國際上率先提出了“單原子催化”新概念。

張濤院士（左）、李雋院士（右）

“我們通過理論研究，不僅解答了單原子催化劑為什么可以穩定，為什么可以催化，還搞清楚了它是如何來調控化學反應的。這改變了以往如同‘黑匣子炒菜’般對催化反應的理解模式。”李雋說。

李雋院士

“單原子催化”這一原創概念一經提出就引發國際學術界的廣泛關注，并成為了多相催化領域最活躍的研究前沿之一，全球百余個國家、數千個課題組紛紛跟進，研究內容也從最初的熱催化迅速拓展至光催化與電催化，涵蓋環境催化、能源轉化、精細化學品合成、擬酶催化和碳資源高效利用等多個方向。

這束光，照亮的是一條從概念創立到系統認知的完整路徑。與此同時，越來越多的科學家們開始加入這個追光的隊伍，一同向著放大應用與示范的方向不斷前行。在“單原子催化”的指引下，國內外科學家已在氯乙烯生產、烯烴多相氫甲酰化、制藥、精細化工等方面實現了工業應用。

“我相信，隨著單原子催化與人工智能結合，將塑造原子精準催化研究新范式，使高效催化劑的理性設計成為可能，推動全球新能源和綠色化工的發展。”張濤說。

燎原：在代代相傳的“星火”中邁向未來

從高分散金屬催化劑到“單原子催化”，張濤團隊的轉變如星火燎原，從一個個微觀的金屬原子出發，在基礎研究的土壤中慢慢積蓄熱度，在前沿探索的風向中持續點燃新的可能。這種“應用反哺基礎、基礎引領應用”的發展模式，也早已熔鑄為團隊的文化基因。

張濤回顧團隊從瀕臨解散到前沿引領的歷程，他說：“科學研究、科技進步發展，一個是好奇心的驅動，你會不斷地去探知為什么，這個時候你會不斷地思考，去研究它最深最本真的奧秘；另外一種驅動，就是國家的需求，或者是人類更大的需求為牽引。國家需要什么，那你就要把這個做出來。”

“以國家需求為己任”，這也正是大連化物所自1949年建所以來一脈相承的底色。七十余年來，大連化物所始終將自身發展融入國家戰略大局。張濤團隊正是扎根于這片學術“沃土”中，在大連化物所老一代科學家迎難而上、甘于奉獻、舍我其誰的精神熏陶下，一步步成長起來，并用他們扎實的研究成果回應社會對科技創新的期待。

“研究所老一輩科學家留下的不僅是豐碩的科研成果，更是他們的品格和精神——這是激勵我們不斷前行的最寶貴財富。”王愛琴說。這份傳承，激勵著一代代大連化物所人不斷前行。

王愛琴研究員

如今，張濤團隊也在用自己的方式將這份精神的接力棒傳遞下去，他們深知，真正的薪火相傳，不只是致敬過去，更是成就未來。因此團隊一直在年輕科研人才培養方面傾注大量心血，他們始終勉勵青年學生和科研骨干，要志存高遠，以國家需求為導向，踏踏實實做“頂天立地”的科研。

早在張濤擔任課題組長之初，也是研究組最困難的時期，這支團隊就形成了獨特的人才培養思路——“壓擔子、給機會”。2000年，團隊就大膽地挑選了三位剛畢業的博士生進入核心科研隊伍，讓他們在科研一線的實戰中扛任務、經歷練，這使他們迅速完成了從校門到科研一線的轉變，成為科研骨干。這種“在實戰中育人”的培養模式，至今仍在延續。

“壓擔子、給機會”的核心不只是“給擔子”，更是“給機會、給空間”——充分尊重青年人才的自主性和獨立性，鼓勵他們瞄準最前沿的方向大膽探索。喬波濤說：“做博士后期間，張老師給了我非常大的自由度，讓我能夠完全自主地去探索自己認為最有價值的前沿問題。但是另一方面，張老師對我們的要求也非常高，正是在這種既有壓力又有空間的氛圍中，我迅速成長起來。”

喬波濤研究員

“讓不同學科背景的人相互碰撞、彼此托舉，是我在‘單原子催化’團隊中學習到的可貴理念，在這里，實驗、理論與表征從來不是各干各的。這種鼓勵學科交叉的文化，讓我們在相互支撐中看到了更完整的科研圖景。”楊小峰說。正是在這樣嚴謹、包容、開放、協作的科研沃土上，一批批年輕科研人員在合作中被彼此“托舉”起來，迅速站上了更高的平臺。

張濤院士（左）、楊小峰研究員（中）、李雋院士（右）

從瀕臨解散到星火燎原，張濤團隊用數十年時間證明了一件事：真正支撐一個團隊的，不只是成果的累積，還有精神的傳承、彼此的托舉、一代代人朝著同一個方向奔跑的默契。張濤為團隊定下了清晰的目標：“一要‘上貨架’，變成商品；二要‘上書架’，寫入教科書。”從“把成果寫在祖國大地上”到“把中國原創概念寫進世界教科書”，這支曾經瀕臨解散的團隊，用數十年的堅守與突圍，澆灌出“單原子催化”這一中國人原創的科學成果，走出了一條“逆襲”之路。如今，“單原子催化”方興未艾，破局者仍在前行，逐光者仍在追光，燎原的星火還將照向更遠的地方。（文/圖 大連化物所）

來源：人民日報、中國新聞網、大連化物所