单原子催化：在原子尺度理解化学反应

在现代化学工业中，催化被称为“化学反应的心脏”——超过 90% 的化工过程依赖催化剂加速反应、降低能耗。然而传统催化剂往往把金属做成纳米颗粒，只有表面少数原子参与反应，内部大量金属被“埋没”。单原子催化则把活性金属拆解到极致：让每个金属原子都单独“坐”在载体表面，彼此不聚集，从而实现近 100% 的原子利用率。

什么是单原子催化

单原子催化剂（SAC）指载体上分散着孤立的、配位不饱和的金属原子（如 Pt、Co、Fe），它们被载体表面的缺陷或杂原子“锚定”。由于金属以单原子存在，其电子结构和配位环境与传统纳米颗粒截然不同，常常表现出独特的催化选择性。

图1：金属原子以单原子形式分散在载体表面，彼此不团聚

为什么重要

传统纳米颗粒催化剂中，只有表层原子参与反应，且粒径不均导致活性位点难以控制。单原子催化把“活性中心”精确锁定在单个原子，带来三点优势：原子利用率高、活性位点均一、配位环境可调控。这使得在更低金属负载下即可达到甚至超过传统催化剂的活性。

中国科学家的原创贡献

单原子催化这一概念由中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队在国际上首次正式提出并系统发展。2026 年公布的结果显示，该成果荣获 2025 年度国家自然科学奖一等奖——这是催化科学百余年历史上少数由中国科学家提出并获得国际广泛认可的重要概念之一。研究团队将其目标定为“上货架”（变成商品）与“上书架”（写入教科书）。

图2：单原子催化让几乎全部金属原子参与反应

应用前景

单原子催化已在能源转化（如燃料电池氧还原）、环境保护（污染物降解）、精细合成（药物分子构建）中展现出潜力。随着表征技术（如电子顺磁共振、球差校正电镜）和理论计算的发展，科学家正逐步“看透”单原子位点的真实反应路径，把催化从“黑匣子里的经验”推向“原子尺度的理性设计”。