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编者按:习近平总书记指出,科学普及是实现创新发展的重要基础性工作。为助力高水平科技自立自强,中国科协科普部联合光明网推出“锚定2035·院士谈科学报国”系列文章,邀请各领域院士就我国当下热点科技问题给予权威解答,服务引导更多科技工作者提升科研科普能力,促进全民科学素质提升,为科技强国建设贡献科普力量。#千万IP创科普
催化在当今化工产业中占据着核心地位。从石油炼制到精细化学品合成,从环境保护到新能源开发,催化无处不在。那么,催化到底是什么?简而言之,催化是指化学反应在外来物质作用下反应速度加快的一种现象。外来物质被称作催化剂,反应速度加快的过程被称为催化过程。
在我的科研生涯中,我经历了从纳米材料合成到单原子催化的转变。在工业催化领域,尽管纳米颗粒催化剂已实现了广泛应用,但贵金属的稀缺性和高昂价格,严重增加了生产成本,阻碍了其大规模应用。因此,降低催化剂成本的同时提升金属纳米颗粒的活性、选择性和稳定性,成为我们的目标。因此,我开始关注并投身于单原子催化的研究。
单原子催化是“单原子位点催化”的简称,指发生催化的活性位点落在一个原子上面,极大提高了金属原子的利用效率。相较于传统催化剂,单原子催化剂理论上可达到100%的原子利用率,这一特性预示着其在推动现代化工产业升级换代方面的巨大潜力。
这个概念听起来简单,但实现起来却异常艰难。在过去几十年里,尽管科学家们一直在努力开发高效的异相金属催化剂,但金属原子的利用率始终无法突破瓶颈。直到我们提出了单原子催化的概念,并成功实现了单原子催化剂的合成与应用,这一领域才迎来了革命性的突破。
单原子催化具有许多传统催化剂无法比拟的优势。首先,它的原子利用率极高,理论上可以达到100%,这意味着我们可以更高效地利用贵金属资源。其次,单原子催化剂具有独特的电子结构和几何构型,这使得它在催化反应中表现出更高的活性和选择性。
然而,单原子催化也面临着许多挑战。比如,如何确保单原子催化剂的稳定性?如何在大规模合成中保持其催化性能?如何揭示单原子催化的反应机制?这些问题都需要我们不断探索和解决。
单原子催化作为一项前沿的科学技术,具有广泛的应用前景。在环境保护方面,单原子催化剂可以有效地催化降解空气中的有害物质,如甲醛、氮氧化物等,从而改善空气质量。在能源转化方面,单原子催化剂可以催化二氧化碳的还原反应,将二氧化碳转化为有用的燃料或其他化学品,这对于实现碳中和和可持续发展具有重要意义。此外,在化学合成、药物研发等领域,单原子催化剂也展现出巨大的潜力。
单原子催化剂的发现使人类的认知进入到了原子级水平层次,单原子催化的发现和合成制备,让我们有信心去挑战人类在物质科学的基础,并验证原子级精准制造能不能实现。如果单原子催化进入工业化示范成功,将有可能使人类进入单原子单分子的新时代,为人类在近代科学技术中的研究作出重要贡献。
目前,单原子催化技术还处于实验室研究阶段。但我们已经看到了它工业化应用的曙光。通过与多家企业的合作,我们正在努力推进单原子催化技术的产业化进程。我们相信,在不久的将来,单原子催化技术将成为推动现代化工产业升级换代的重要力量。
(本文系中国科学院院士、清华大学化学系教授、安徽师范大学校长、2024未来科学大奖“物质科学奖”获奖者之一李亚栋在“科学点燃青春”的青少年对话中的分享,光明网记者宋雅娟整理)