从纳米到原子：单原子催化如何重写催化科学

一句话导读：当催化剂的活性中心被压缩到"单个原子"尺度，催化科学迎来从纳米到原子的范式革命。2025年度国家自然科学奖一等奖授予"单原子催化"，正是对这一中国原创概念的国家级背书。

一、什么是单原子催化：把活性中心压缩到一个原子

传统催化剂大多是纳米颗粒：铂、钯、铑等贵金属被做成几纳米的小颗粒，散落在载体表面。颗粒一大，里面的金属原子就被"埋"在内部，根本接触不到反应物——贵金属利用率常常只有百分之几。

单原子催化（SAC）的思路干脆彻底：只保留表面那一层原子。 将金属以孤立的单个原子分散在载体表面，让每一个金属原子都成为活性中心，原子利用率接近 100%，性能则由单原子的"配位环境"决定。最典型的是 M–N₄ 结构：金属原子（Fe、Co、Pt 等）被四个氮原子锚定在氮掺杂碳基底上，形成二维平面配位，精确调控 d 带中心与反应能垒。

这个领域的起点在中国。 2009 年张涛院士团队制备出国际首例实用载体负载单原子铂催化剂 Pt₁/FeOₓ——活性比传统纳米催化剂提高 2 倍以上，贵金属用量下降 70%–90%；2011 年联合清华大学李隽、亚利桑那州立大学刘景月率先提出"单原子催化"概念，把人类对活性位的认识推进到原子尺度。

二、配位环境：选择性的"总开关"

决定性能的往往不是"用什么金属"，而是"金属被什么包围"。M–N₄ 中四个吡啶氮的配位让 *CO、*OOH 等关键中间体的吸附能处于最优区间；把部分氮换成氧、硫、磷或引入轴向配位，d 带中心位移、速控步能垒随之改变——同一金属，换一套配位"邻居"，活性和产物分布截然不同。

实验上，球差校正电镜、同步辐射 XAS 与电子顺磁共振让科学家真正"看见"单个原子；理论上 DFT 计算吸附能与反应路径。天津大学张晓东团队用机器学习从 19,196 种原子构型中锁定高活性单元。这种"结构—性能"的完全可解析，使单原子催化区别于"黑箱式"试错，科学家得以针对 CO₂ 还原、析氧、选择性加氢等反应反向设计配位环境，"一把钥匙开一把锁"。

三、国家一等奖与产业落地：信号已经足够清晰

2025 年度国家科学技术奖励大会上，张涛院士、李隽院士、王爱琴、乔波涛、杨小峰等完成的"单原子催化"成果荣获国家自然科学奖一等奖——催化科学百余年来少数由中国科学家提出并获国际广泛认可的概念之一。

产业端早已用脚投票：单原子催化剂已用于乙炔选择性加氢制氯乙烯（贵金属用量大幅降低）、烯烃多相氢甲酰化制醛类高值化学品（选择性提升），并进入制药与精细化工。资本市场同样将其视为下一代"高原子效率"催化剂的代表。

四、最出人意料的跨界：单原子"上了"血管支架

2025 年 12 月 22 日，天津大学张晓东教授团队在《Nature Sustainability》发表研究：用离子注入技术在镍钛（NiTi）合金基底上实现单原子催化剂高效均匀负载，单次制备面积达 200 cm²，催化活性 4 年测试周期内无明显衰减，首次将单原子生物催化材料用于血管支架。

这揭示了一个行业判断：单原子催化的最大卖点不是便宜，而是"极致效率与可控性"——这类价值恰恰在医疗、传感等高值场景先兑现。

五、从实验室到工厂：规模化制备的最后一公里

• 共沉淀 + 高温煅烧：难控原子级分散，超 800℃ 高温会破坏载体；
• 原子层沉积：精度高但成本贵、产能受限。

天津大学的路线提供了可复制范式：机器学习筛选构型 + 离子注入温和"打"入基底，数小时制备、200 cm² 面积，已拓展至 PtCu、CoV 等 22 种单原子体系，避开高温、保持力学性能、活性 4 年不衰减。由此推断：传感器、医疗器械、精细化工等"高值、小批量"场景，可能先于大宗化工成为商业化突破口。

六、为什么值得长期关注

1. 资源效率：贵金属利用率逼近理论极限，降低对铂、钯、铑的依赖；
2. 研发效率："按需设计催化剂"走向可操作，配合机器学习大幅缩短研发周期；
3. 平台属性：连接热催化、光催化、电催化与仿酶生物催化的通用平台。

正如张涛院士所言，单原子催化"将多相催化领域对活性位的认识从微纳尺度推进到原子尺度，为原子精准催化奠定了基础"——对中国而言，这既是原始创新实力的体现，也是高端催化剂自主可控的战略支点。