張濤：深耕化學催化領域“無人區”

　　催化是現代化學工業的“心臟”，而“單原子催化（Single-Atom Catalysis）”則是對這顆“心臟”極限的探索。中國科學院院士張濤帶領團隊于2011年在國際上率先提出“單原子催化”新概念，讓每一個金屬原子都能成為反應中心，金屬利用率近100%。這一原創概念引發了全球數千個研究組跟進，并已在工業應用中初露鋒芒。

　　近日，“單原子催化”成果榮獲2025年度國家自然科學獎一等獎。這一成果背后，是張濤在原始創新領域多年的堅持。如何保持定力在“無人區”長期深耕？科技日報記者對張濤進行了專訪。

　　張濤院士 （受訪者供圖）

　　人物檔案

　　張濤，中國科學院院士、發展中國家科學院院士、加拿大工程院國際院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員。長期從事能源化工及催化新材料等方面的研究，與研究者合作在國際上首次提出了“單原子催化”新概念，獲國家自然科學獎一等獎、何梁何利科技進步獎、亞太催化成就獎、首屆唐敖慶化學獎、未來科學大獎“物質科學獎”、科睿唯安“引文桂冠獎”、中國催化成就獎、陳嘉庚化學科學獎、德國洪堡獎等。

　　催化是現代化學化工的核心技術

　　記者：“催化”這個詞對很多人來說既熟悉又陌生。催化到底是什么，究竟有多重要？

　　張濤：簡單說，催化就是讓化學反應“跑得更快、走得更準”。很多化學反應靠自己發生得很慢，或者會生成很多副產品。催化劑就像一個高效的“媒人”，能讓原本反應很慢甚至不反應的化學物質快速結合在一起，生成想要的產品，而自身不會被消耗，可以反復使用。

　　催化是現代化學化工的核心技術。從化肥、塑料，到能源、醫藥都離不開催化，它和我們的生活密切相關。

　　記者：催化科學的本質是什么？為什么說“活性位”是關鍵？

　　張濤：催化的本質，是反應物在催化劑表面的“活性位”上發生吸附和轉化。可以把“活性位”想象成催化反應的“加工車間”——車間越多、每個車間越精密，生產效率就越高。所以，催化科學的兩大核心目標就是：最大化“活性位”的數量，以及在原子尺度上精準構筑“活性位”的結構。因為只有做到原子級別的精準，我們才能提高反應效率，并理解和控制反應的選擇性，避免浪費原料。

　　記者：在您提出“單原子催化”之前，科學家們對“活性位”的研究到了哪一步？

　　張濤：以前科研人員主要研究納米尺度的金屬顆粒，大概幾個納米到幾十納米。但問題在于，一個納米顆粒里，只有表面那層原子能參與反應，內部的原子被“埋”在里面，白白浪費了。所以，我們一直渴望能把金屬顆粒做得更小，直到單個原子——那是化學尺寸上的“極限”。但當時幾乎沒人相信單個原子能穩定存在，更別說當催化劑了。

　　記者：從納米催化到單原子催化，這不僅僅是“尺寸更小”那么簡單吧？

　　張濤：沒錯，單原子催化在一定程度上還改變了科學家對多相催化的認知和研究模式。在科學層面，傳統催化劑顆粒大小不一，像一鍋“雜燴”，很難分清到底哪個部位在起作用，研究起來像“盲人摸象”。但單原子催化劑結構單一、位點明確，可以給科學家一個清晰的“模型”，從而從原子尺度去理解和設計催化劑，改變了過去像“黑箱炒菜”一樣的研究模式。這為未來開發更高效、更綠色的催化工藝，打開了全新的空間。

　　張濤院士（左）、團隊成員楊小峰（中）、清華大學教授李雋（右）在進行討論。受訪者供圖

　　開展跨機構、跨學科深度協作

　　記者：把金屬原子“單獨拎出來”當催化劑，這個想法聽起來很顛覆。這個念頭是怎么產生的？

　　張濤：我1983年開始在中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）讀研究生，在博士論文里就提出了單金屬中心和多金屬中心的概念，但當時苦于沒有高水平的表征手段，無法獲得直接的科學證據。2000年左右，納米催化仍然是全球研究熱點，我們課題組也做了大量工作。但我反復問自己：為了突破微米、納米的尺度，我們還能如何做？這時，一個大膽的想法產生了：如果把每一個原子都分散開，讓它們各自獨立成為“活性中心”，達到化學尺寸上的“極限”，那么一定能激發不同的催化活性，金屬利用率就能無限接近100%。

　　記者：實現這個想法的路上，遇到哪些“攔路虎”？

　　張濤：第一個難題就是怎么把單原子“固定”在載體上不跑掉。原子比納米粒子小得多，表面能極高，它們特別容易“抱團”。我們試了無數種載體和制備條件，經歷了無數次失敗。第二個難題是，就算做出來了，怎么證明它是單個原子？當時普通電鏡根本看不見單個原子，只能“猜”。這兩個問題卡了我們好幾年。

　　記者：那后來是怎么突破的？

　　張濤：這個突破是偶然，也是必然。當時我認識了在美國亞利桑那州立大學的電鏡專家劉景月教授，他們擁有球差校正電子顯微鏡的高端表征技術。通過與劉老師合作，實驗室第一次擁有了在原子尺度上“看清”單個原子的能力。合作中發現，我們之前制備的亞納米催化劑中含有大量的單個原子，經過一年多對催化劑制備參數的優化，大連化物所團隊于2009年成功制備出國際首例實用載體負載的單原子催化劑——Pt1/FeOx，使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%。同時，我們還聯合了清華大學的李雋教授做理論計算。

　　我們于2011年在國際上率先提出了“單原子催化”新概念。敢率先提出，不僅僅是因為做得早，更是因為做得全、做得透。

　　在此基礎上，我們后來拓展了一系列新反應，比如硝基芳烴選擇加氫、C-H鍵氧化、烯烴氫甲酰化。我們還提出了配位環境是單原子催化劑最核心的“描述符”，并建立了配位數、電子態與催化性能之間的關聯。

　　另外，我們很早就意識到，光有活性不夠，穩定才是工業化的生命線。我們聯合李雋教授建立了基于化學勢原理的單原子催化劑普適熱力學穩定性模型和電化學勢窗口模型，發展了單原子催化劑穩定性理論。我們還提出了“動態單原子催化”和“單團簇催化”等新機制，把單原子催化的內涵和外延都擴大了。

　　這一過程也讓我深刻體會到，跨機構、跨學科的深度協作，是搶占原創制高點的關鍵。

　　記者：這個概念提出來之后，國際學術界的反應如何？

　　張濤：剛開始肯定有質疑，畢竟太反常識了——單個原子那么不穩定，怎么可能高效催化？但因為我們有扎實的電鏡照片、嚴謹的反應數據和理論計算作支撐，質疑很快變成了好奇和跟進。后來，全球上百個國家、幾千個課題組都開始做單原子催化，研究從熱催化迅速擴展到光催化、電催化，它成了多相催化領域最活躍的前沿方向之一。

　　單原子催化劑已被證實在50余種不同反應中優于傳統催化劑。它已在氯乙烯生產、烯烴多相氫甲酰化、制藥、精細化工等方面實現了工業應用。

　　單原子催化示意圖。

　　越是困難時期越要敢用新人

　　記者：團隊如何協作在前沿方向上持續突破？

　　張濤：我常強調三句話：相互欣賞、相互尊重、相互合作。團隊的人必須緊密配合，彼此托舉。而且我們對年輕人很開放，大膽讓剛畢業的博士挑大梁，讓他們在實戰中成長。年輕人有想法、敢擔當，研究所也給予他們充分的信任和空間。

　　記者：把重要任務交給剛畢業的博士，放心嗎？

　　張濤：是的，而且我認為，越是困難時期，越要敢用新人。1995年，課題組瀕臨解散，我的導師林勵吾院士、臧璟齡研究員力排眾議提出讓年輕人試試去把課題組“盤活”。32歲的我被任命為課題組組長，同時選了幾位年輕博士進入核心隊伍參與重大任務。他們壓力很大，但成長極快。我認為，培養人才不是“教他怎么做”，而是給他空間，同時提出高要求。

　　我常說，單原子催化是“一群人”的成果。比如我們團隊里的王愛琴，早在2000年前后，就在負載型金屬催化劑方面積累了充分知識；喬波濤是做博士后期間被我“壓擔子”放手去探索單原子制備的；楊小峰則在表征和反應機理方面做了大量關鍵工作。

　　記者：從瀕臨解散到引領國際前沿，這段“逆襲”路上，支撐您堅持下去的力量是什么？

　　張濤：從有這個想法到2011年正式提出概念，中間是數以千計的實驗、無法計數的失敗。支撐我們在“無人區”走下去的，絕非一時的靈感或幸運。具體總結起來，我覺得有四個方面比較重要。

　　第一，對科學直覺的篤信。在一個幾乎空白的領域探索，我們承受的最大恐懼往往不來自于艱難的過程，而是不知道“方向對不對”。克服這一恐懼，就需要相信科學直覺。這并非盲目自信，科學直覺來源于深厚的科學積累。我們堅信，越是鮮有人涉足的方向，一旦做成，就越可能打開新天地。

　　第二，把失敗當作成功的臺階，而非絆腳石。選擇之初，我們就知道這會是一條更基礎、更微觀、更艱難，但也更富生命力的路。我們始終認為，每一次失敗，其實都是“排除了一條錯誤路徑”。

　　第三，團隊成員的信任，以及“遇難則合”的協作精神。團隊內部群策群力，外部與李雋教授、劉景月教授等深度合作。正是這種協作精神，支撐我們走到了今天。

　　第四，外部環境為基礎研究營造的良好氛圍。我們國家越來越重視基礎研究，我所在的大連化物所的傳統就是鼓勵基礎研究與應用研究相互欣賞、相互尊重、相互交流、相互合作。這對于專注基礎研究的團隊來說，是可以把“冷板凳”坐熱的莫大鼓勵和底氣。

　　以服務國家重大戰略需求為己任

　　記者：從陜西安康山區走出來，當初為什么決定報考大連化物所？

　　張濤：我從小在山里長大，總想看看外面的世界。我決心要報考研究生時定了兩個坐標：一個要在大海邊，一個要選國內頂尖的研究所。兩個坐標一交叉，就是大連化物所。

　　1983年我考入大連化物所，跟從林勵吾院士和臧璟齡研究員學習。這里有一流的科學家、一流的設備和“不拘一格”的用人之道，這是我人生最正確的選擇之一，它讓我從學生成長為世界有影響的科學家。

　　記者：除了科研工作以外，您還擔任了一些行政職務。這對科研是“干擾”還是“助力”？

　　張濤：有人認為這是干擾，是因為處理各種事務會導致時間被切碎。但正是這些“干擾”逼著我學會抓重點、分輕重，把碎片時間用到極致。這本身就是一種綜合能力的鍛煉。

　　而且，行政工作讓我對“風險”和“團隊”有了切膚之感——做決策要預判風險，做項目得靠團隊。這些意識對組織大科學工程、應對突發瓶頸等特別重要。

　　無論是擔任研究生會主席，還是中國科學院副院長，對我來說，這些行政工作經歷都是人生中的“必修課”。我常對學生說，別怕“不務正業”，有機會就上，有擔子就挑。綜合能力才決定了關鍵時刻能不能頂上去。

　　記者：基礎研究如何服務國家需求？

　　張濤：目前來看，基礎研究主要可以分為兩類。

　　一類是相對純粹的自由探索型，比如純數學、純理論物理這類構建人類文明底層邏輯根基的研究。另一類是應用導向型，圍繞國家的重大戰略目標和人類社會發展面臨的現實問題展開，我們所聚焦的“單原子催化”就在這個范疇中。

　　我始終認為，“自由探索”和“目標導向”是有機統一的。特別在全球科技競爭日趨白熱化的今天，科學家首先要站在國家戰略和需求的角度，去定位和尋找科學問題，在此范疇之內，結合自身興趣和優勢開展科技攻關和基礎研究。

　　因此我認為，應從國家重大需求里提煉問題，用基礎研究去回答，最后到應用中去驗證。這也是大連化物所始終堅持的“基礎前沿、應用開發、技術示范與產業化”全鏈條貫通式科研模式。

　　記者：下一步，您和團隊在“單原子催化”方面的探索方向是什么？

　　張濤：我們計劃在理論層面，著力構建更為系統、完整的單原子催化理論體系，發展更加高效、簡易、快速的催化劑制備與識別方法。

　　在理性設計層面，利用人工智能和計算機模擬，實現催化劑的理性設計乃至性能預測，從根本上改變過去“試錯法”的研究范式，真正走向“精準催化”。

　　在應用層面，瞄準新能源催化轉化、綠色化學合成等國家急需的方向，推動單原子催化成果更多地轉化為服務人民、造福社會的新質生產力。

　　記者：我國化工領域如何實現高水平科技自立自強？

　　張濤：要真正實現我國化工領域高水平科技自立自強，我認為以下幾方面非常關鍵。

　　一是持續夯實基礎研究，搶占原始創新制高點。我們一定要堅持戰略導向，圍繞國家戰略需求主動凝練前沿科學問題，以戰略性體系化的基礎研究為開辟新領域新賽道提供理論儲備。二是深入貫通轉化鏈條，構筑從“點狀突破”向“體系化推進”的攻關體系，扎實推動科技創新與產業創新深度融合，為新質生產力發展注入核心動能。三是擁抱人工智能，重塑研發范式。四是高度重視人才，特別要重視交叉類人才的培養。

　　（原標題：中國科學院院士張濤：深耕化學催化領域“無人區” ）