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。
张涛院士 （受访者供图）
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。
张涛院士 （受访者供图）
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。
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。
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