张涛院士 受访者供图

单原子催化示意图。

张涛院士（左）、团队成员杨小峰（中）、清华大学教授李隽（右）在进行讨论。受访者供图

催化是现代化学工业的“心脏”，而“单原子催化（Single-Atom Catalysis）”则是对这颗“心脏”极限的探索。中国科学院院士张涛带领团队于2011年在国际上率先提出“单原子催化”新概念，让每一个金属原子都能成为反应中心，金属利用率近100%。这一原创概念引发了全球数千个研究组跟进，并已在工业应用中初露锋芒。

近日，“单原子催化”成果荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。这一成果背后，是张涛在原始创新领域多年的坚持。如何保持定力在“无人区”长期深耕？科技日报记者对张涛进行了专访。

催化是现代化学化工的核心技术

记者：“催化”这个词对很多人来说既熟悉又陌生。催化到底是什么，究竟有多重要？

张涛：简单说，催化就是让化学反应“跑得更快、走得更准”。很多化学反应靠自己发生得很慢，或者会生成很多副产品。催化剂就像一个高效的“媒人”，能让原本反应很慢甚至不反应的化学物质快速结合在一起，生成想要的产品，而自身不会被消耗，可以反复使用。

催化是现代化学化工的核心技术。从化肥、塑料，到能源、医药都离不开催化，它和我们的生活密切相关。

记者：催化科学的本质是什么？为什么说“活性位”是关键？

张涛：催化的本质，是反应物在催化剂表面的“活性位”上发生吸附和转化。可以把“活性位”想象成催化反应的“加工车间”——车间越多、每个车间越精密，生产效率就越高。所以，催化科学的两大核心目标就是：最大化“活性位”的数量，以及在原子尺度上精准构筑“活性位”的结构。因为只有做到原子级别的精准，我们才能提高反应效率，并理解和控制反应的选择性，避免浪费原料。

记者：在您提出“单原子催化”之前，科学家们对“活性位”的研究到了哪一步？

张涛：以前科研人员主要研究纳米尺度的金属颗粒，大概几个纳米到几十纳米。但问题在于，一个纳米颗粒里，只有表面那层原子能参与反应，内部的原子被“埋”在里面，白白浪费了。所以，我们一直渴望能把金属颗粒做得更小，直到单个原子——那是化学尺寸上的“极限”。但当时几乎没人相信单个原子能稳定存在，更别说当催化剂了。

记者：从纳米催化到单原子催化，这不仅仅是“尺寸更小”那么简单吧？

张涛：没错，单原子催化在一定程度上还改变了科学家对多相催化的认知和研究模式。在科学层面，传统催化剂颗粒大小不一，像一锅“杂烩”，很难分清到底哪个部位在起作用，研究起来像“盲人摸象”。但单原子催化剂结构单一、位点明确，可以给科学家一个清晰的“模型”，从而从原子尺度去理解和设计催化剂，改变了过去像“黑箱炒菜”一样的研究模式。这为未来开发更高效、更绿色的催化工艺，打开了全新的空间。

开展跨机构、跨学科深度协作

记者：把金属原子“单独拎出来”当催化剂，这个想法听起来很颠覆。这个念头是怎么产生的？

张涛：我1983年开始在中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）读研究生，在博士论文里就提出了单金属中心和多金属中心的概念，但当时苦于没有高水平的表征手段，无法获得直接的科学证据。2000年左右，纳米催化仍然是全球研究热点，我们课题组也做了大量工作。但我反复问自己：为了突破微米、纳米的尺度，我们还能如何做？这时，一个大胆的想法产生了：如果把每一个原子都分散开，让它们各自独立成为“活性中心”，达到化学尺寸上的“极限”，那么一定能激发不同的催化活性，金属利用率就能无限接近100%。

记者：实现这个想法的路上，遇到哪些“拦路虎”？

张涛：第一个难题就是怎么把单原子“固定”在载体上不跑掉。原子比纳米粒子小得多，表面能极高，它们特别容易“抱团”。我们试了无数种载体和制备条件，经历了无数次失败。第二个难题是，就算做出来了，怎么证明它是单个原子？当时普通电镜根本看不见单个原子，只能“猜”。这两个问题卡了我们好几年。

记者：那后来是怎么突破的？

张涛：这个突破是偶然，也是必然。当时我认识了在美国亚利桑那州立大学的电镜专家刘景月教授，他们拥有球差校正电子显微镜的高端表征技术。通过与刘老师合作，实验室第一次拥有了在原子尺度上“看清”单个原子的能力。合作中发现，我们之前制备的亚纳米催化剂中含有大量的单个原子，经过一年多对催化剂制备参数的优化，大连化物所团队于2009年成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂——Pt1/FeOx，使铂的催化活性比传统纳米催化剂提高了两倍以上，贵金属用量却下降了70%到90%。同时，我们还联合了清华大学的李隽教授做理论计算。

我们于2011年在国际上率先提出了“单原子催化”新概念。敢率先提出，不仅仅是因为做得早，更是因为做得全、做得透。

在此基础上，我们后来拓展了一系列新反应，比如硝基芳烃选择加氢、C-H键氧化、烯烃氢甲酰化。我们还提出了配位环境是单原子催化剂最核心的“描述符”，并建立了配位数、电子态与催化性能之间的关联。

另外，我们很早就意识到，光有活性不够，稳定才是工业化的生命线。我们联合李隽教授建立了基于化学势原理的单原子催化剂普适热力学稳定性模型和电化学势窗口模型，发展了单原子催化剂稳定性理论。我们还提出了“动态单原子催化”和“单团簇催化”等新机制，把单原子催化的内涵和外延都扩大了。

这一过程也让我深刻体会到，跨机构、跨学科的深度协作，是抢占原创制高点的关键。

记者：这个概念提出来之后，国际学术界的反应如何？

张涛：刚开始肯定有质疑，毕竟太反常识了——单个原子那么不稳定，怎么可能高效催化？但因为我们有扎实的电镜照片、严谨的反应数据和理论计算作支撑，质疑很快变成了好奇和跟进。后来，全球上百个国家、几千个课题组都开始做单原子催化，研究从热催化迅速扩展到光催化、电催化，它成了多相催化领域最活跃的前沿方向之一。

单原子催化剂已被证实在50余种不同反应中优于传统催化剂。它已在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等方面实现了工业应用。

越是困难时期越要敢用新人

记者：团队如何协作在前沿方向上持续突破？

张涛：我常强调三句话：相互欣赏、相互尊重、相互合作。团队的人必须紧密配合，彼此托举。而且我们对年轻人很开放，大胆让刚毕业的博士挑大梁，让他们在实战中成长。年轻人有想法、敢担当，研究所也给予他们充分的信任和空间。

记者：把重要任务交给刚毕业的博士，放心吗？

张涛：是的，而且我认为，越是困难时期，越要敢用新人。1995年，课题组濒临解散，我的导师林励吾院士、臧璟龄研究员力排众议提出让年轻人试试去把课题组“盘活”。32岁的我被任命为课题组组长，同时选了几位年轻博士进入核心队伍参与重大任务。他们压力很大，但成长极快。我认为，培养人才不是“教他怎么做”，而是给他空间，同时提出高要求。

我常说，单原子催化是“一群人”的成果。比如我们团队里的王爱琴，早在2000年前后，就在负载型金属催化剂方面积累了充分知识；乔波涛是做博士后期间被我“压担子”放手去探索单原子制备的；杨小峰则在表征和反应机理方面做了大量关键工作。

记者：从濒临解散到引领国际前沿，这段“逆袭”路上，支撑您坚持下去的力量是什么？

张涛：从有这个想法到2011年正式提出概念，中间是数以千计的实验、无法计数的失败。支撑我们在“无人区”走下去的，绝非一时的灵感或幸运。具体总结起来，我觉得有四个方面比较重要。

第一，对科学直觉的笃信。在一个几乎空白的领域探索，我们承受的最大恐惧往往不来自于艰难的过程，而是不知道“方向对不对”。克服这一恐惧，就需要相信科学直觉。这并非盲目自信，科学直觉来源于深厚的科学积累。我们坚信，越是鲜有人涉足的方向，一旦做成，就越可能打开新天地。

第二，把失败当作成功的台阶，而非绊脚石。选择之初，我们就知道这会是一条更基础、更微观、更艰难，但也更富生命力的路。我们始终认为，每一次失败，其实都是“排除了一条错误路径”。

第三，团队成员的信任，以及“遇难则合”的协作精神。团队内部群策群力，外部与李隽教授、刘景月教授等深度合作。正是这种协作精神，支撑我们走到了今天。

第四，外部环境为基础研究营造的良好氛围。我们国家越来越重视基础研究，我所在的大连化物所的传统就是鼓励基础研究与应用研究相互欣赏、相互尊重、相互交流、相互合作。这对于专注基础研究的团队来说，是可以把“冷板凳”坐热的莫大鼓励和底气。

以服务国家重大战略需求为己任

记者：从陕西安康山区走出来，当初为什么决定报考大连化物所？

张涛：我从小在山里长大，总想看看外面的世界。我决心要报考研究生时定了两个坐标：一个要在大海边，一个要选国内顶尖的研究所。两个坐标一交叉，就是大连化物所。

1983年我考入大连化物所，跟从林励吾院士和臧璟龄研究员学习。这里有一流的科学家、一流的设备和“不拘一格”的用人之道，这是我人生最正确的选择之一，它让我从学生成长为世界有影响的科学家。

记者：除了科研工作以外，您还担任了一些行政职务。这对科研是“干扰”还是“助力”？

张涛：有人认为这是干扰，是因为处理各种事务会导致时间被切碎。但正是这些“干扰”逼着我学会抓重点、分轻重，把碎片时间用到极致。这本身就是一种综合能力的锻炼。

而且，行政工作让我对“风险”和“团队”有了切肤之感——做决策要预判风险，做项目得靠团队。这些意识对组织大科学工程、应对突发瓶颈等特别重要。

无论是担任研究生会主席，还是中国科学院副院长，对我来说，这些行政工作经历都是人生中的“必修课”。我常对学生说，别怕“不务正业”，有机会就上，有担子就挑。综合能力才决定了关键时刻能不能顶上去。

记者：基础研究如何服务国家需求？

张涛：目前来看，基础研究主要可以分为两类。

一类是相对纯粹的自由探索型，比如纯数学、纯理论物理这类构建人类文明底层逻辑根基的研究。另一类是应用导向型，围绕国家的重大战略目标和人类社会发展面临的现实问题展开，我们所聚焦的“单原子催化”就在这个范畴中。

我始终认为，“自由探索”和“目标导向”是有机统一的。特别在全球科技竞争日趋白热化的今天，科学家首先要站在国家战略和需求的角度，去定位和寻找科学问题，在此范畴之内，结合自身兴趣和优势开展科技攻关和基础研究。

因此我认为，应从国家重大需求里提炼问题，用基础研究去回答，最后到应用中去验证。这也是大连化物所始终坚持的“基础前沿、应用开发、技术示范与产业化”全链条贯通式科研模式。

记者：下一步，您和团队在“单原子催化”方面的探索方向是什么？

张涛：我们计划在理论层面，着力构建更为系统、完整的单原子催化理论体系，发展更加高效、简易、快速的催化剂制备与识别方法。

在理性设计层面，利用人工智能和计算机模拟，实现催化剂的理性设计乃至性能预测，从根本上改变过去“试错法”的研究范式，真正走向“精准催化”。

在应用层面，瞄准新能源催化转化、绿色化学合成等国家急需的方向，推动单原子催化成果更多地转化为服务人民、造福社会的新质生产力。

记者：我国化工领域如何实现高水平科技自立自强？

张涛：要真正实现我国化工领域高水平科技自立自强，我认为以下几方面非常关键。

一是持续夯实基础研究，抢占原始创新制高点。我们一定要坚持战略导向，围绕国家战略需求主动凝练前沿科学问题，以战略性体系化的基础研究为开辟新领域新赛道提供理论储备。二是深入贯通转化链条，构筑从“点状突破”向“体系化推进”的攻关体系，扎实推动科技创新与产业创新深度融合，为新质生产力发展注入核心动能。三是拥抱人工智能，重塑研发范式。四是高度重视人才，特别要重视交叉类人才的培养。

人物档案

张涛，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、加拿大工程院国际院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员。长期从事能源化工及催化新材料等方面的研究，与研究者合作在国际上首次提出了“单原子催化”新概念，获国家自然科学奖一等奖、何梁何利科技进步奖、亚太催化成就奖、首届唐敖庆化学奖、未来科学大奖“物质科学奖”、科睿唯安“引文桂冠奖”、中国催化成就奖、陈嘉庚化学科学奖、德国洪堡奖等。

（原载于《科技日报》 2026-08-14 05版）