点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:【锚定2035·院士谈科学报国】单原子催化:探索催化科学的微观世界
首页> 光明科普> 图文 > 正文

【锚定2035·院士谈科学报国】单原子催化:探索催化科学的微观世界

来源:光明网2024-11-13 11:20

  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,这个听起来有些抽象的词汇,实际上在我们的日常生活中无处不在。从古老的酿酒发酵,到现代的石油化工,催化都扮演着至关重要的角色。简单来说,催化是一种加速化学反应的过程,而催化剂则是实现这一过程的关键物质。

  催化剂的工作原理,可以通过一个简单的比喻来理解。想象你正在爬山,如果山路陡峭,你可能会感到吃力。但如果在山腰上挖一条隧道,你就能轻松地穿过山体。催化剂就像这条隧道,它通过改变反应路径,降低了化学反应的活化能,使得反应更容易进行。

【锚定2035·院士谈科学报国】单原子催化:探索催化科学的微观世界

  催化不仅在日常生活中有广泛应用,更是现代化学工业的核心。例如,1918年获得诺贝尔奖的哈伯-博施法合成了氨,这一成就使得化肥的大规模生产成为可能,从而解决了全球粮食短缺的问题。再比如,1963年齐格勒-纳塔催化技术的发明,推动了聚合反应的发展,为塑料、合成纤维等材料的生产提供了可能。

  然而,很多工业催化剂需要使用贵金属,如铂、钯等,这些金属资源稀缺且价格昂贵。以航天飞行器所用的催化剂为例,其中所含的铱金属比黄金还要贵重。因此,降低催化剂中贵金属的含量,成为一个亟待解决的问题。

  在思考这个问题时,我们不禁要问:催化剂中的每一个原子都在发挥作用吗?事实上,即使是纳米级的催化剂颗粒,其内部的原子也并未被充分利用。那么,有没有可能将催化剂中的金属原子进一步分散,甚至达到单个原子的水平呢?

  正是基于这样的思考,我们提出了单原子催化的概念。单原子催化,顾名思义,就是将单个金属原子分散在载体上,形成单原子催化剂。这种催化剂不仅极大地提高了贵金属的利用率,还因为单个原子的独特性质,展现出了优异的催化性能。

  单原子催化的概念虽然简单,但实现起来却充满了挑战。首先,我们需要找到一种方法,将金属原子稳定地分散在载体上,防止它们聚集形成纳米颗粒。为此,我们尝试了多种策略,包括使用特殊的配体与金属原子结合,以及通过控制合成条件来优化催化剂的结构。

  经过数年的努力,我们终于在2011年首次成功制备出了单原子铂催化剂。这一成果发表在了《自然-化学》杂志上,引起了国际学术界的广泛关注。随后,我们团队和其他科研团队一起,不断探索和拓展单原子催化的研究领域,目前已有五十多种单原子催化剂被报道,涵盖了从贵金属到过渡金属,再到稀土元素等多个元素周期表的区域。

【锚定2035·院士谈科学报国】单原子催化:探索催化科学的微观世界

  单原子催化的研究并非一帆风顺。在实际应用中,我们发现单原子催化剂的稳定性是一个重要的问题。在高温或高压等苛刻条件下,单原子很容易发生聚集或迁移,导致催化剂失活。因此,如何提高单原子催化剂的稳定性,成为我们当前研究的一个重要方向。

  尽管面临诸多挑战,但单原子催化的应用前景依然广阔。在环境催化方面,单原子催化剂展现出了优异的污染物降解性能,有望在未来的环境治理中发挥重要作用。在能源催化方面,单原子催化剂可以提高燃料电池和电解水等能源转换过程的效率,为清洁能源的发展提供有力支持。

  此外,单原子催化还在生物医药、材料科学等领域展现出了潜在的应用价值。例如,在生物医药领域,单原子催化剂可以用于合成具有特定生物活性的小分子药物;在材料科学领域,单原子催化剂可以用于调控材料的表面性质和电子结构,从而制备出具有优异性能的新材料。

  值得一提的是,近年来人工智能技术的快速发展为单原子催化的研究提供了新的机遇。通过大数据和机器学习算法,我们可以对单原子催化剂的结构和性能进行精准预测和优化设计,从而大大加速新催化剂的开发进程。

  例如,我们可以利用机器学习算法对大量实验数据进行挖掘和分析,找出影响单原子催化剂性能的关键因素;然后,通过模拟计算来预测不同结构催化剂的性能表现;最后,根据预测结果指导实验合成和优化催化剂的性能。这种“实验-计算一再实验”的循环迭代模式,使得单原子催化的研究更加高效和精准。

  回顾我在单原子催化领域的研究经历,我深刻体会到科研工作的艰辛与乐趣。每一次实验的失败都是对意志的考验,而每一次成功的发现都是对智慧的奖赏。单原子催化的研究涉及多个学科和领域的交叉融合,需要不同背景的科研人员共同努力才能取得突破。因此,我始终强调团队合作和跨学科交流的重要性,鼓励年轻科研人员积极参与到这一充满挑战和机遇的研究领域中来。

  科研之路虽然漫长且充满未知,但只要我们保持对科学的热爱和好奇心,勇于探索和创新,就一定能够在科研的道路上走得更远、飞得更高。希望大家能够珍惜这个伟大的时代赋予我们的机遇和责任,为推动科学进步和社会发展贡献自己的力量。

  (文章系中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员、2024未来科学大奖“物质科学奖”获奖者之一张涛在“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)

【锚定2035·院士谈科学报国】单原子催化:探索催化科学的微观世界 

【锚定2035·院士谈科学报国】单原子催化:探索催化科学的微观世界

[ 责编:肖春芳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 中国—上海合作组织职业技术教育合作中心在津成立

  • 越南举行八月革命暨国庆80周年纪念活动

独家策划

推荐阅读
日前,我国科学家近日成功研制出超宽带光电融合集成系统,首次实现全频段、灵活可调谐的高速无线通信,有望为未来更畅通可靠的6G无线通信提供保障。为此,北京大学、香港城市大学组成的联合研究团队,历经4年,自主研发出超宽带光电融合集成系统。
2025-09-03 10:01
近日,由中国农业科学院烟草研究所牵头完成的“基于耐盐植物和土壤调理剂的滨海盐碱地高效利用技术创制与应用”项目获2024年度青岛市科技进步奖二等奖,为滨海盐碱地的综合治理与高效利用提供了新方案。基于各项研究,团队开发了4种抗盐剂、2种盐碱地土壤调理剂等盐碱地培肥改良系列产品,为盐碱地快速培肥和障碍消减提供了有力支撑。
2025-09-03 10:01
9月1日起,由工业和信息化部等五部门联合修订的强制性国家标准《电动自行车安全技术规范》(GB 17761—2024)正式实施。新国标进一步增强了电动自行车的智能化功能,增加了北斗定位、通信和动态安全监测功能。
2025-09-03 10:00
作为第十五届全国运动会增设的群众赛事项目,被称为“空中F1”的无人机竞速备受瞩目,该项赛事决赛举办地深圳近日也掀起了无人机竞速热潮,市民和游客在公园里就能过一把“飞行瘾”。据介绍,深圳中心公园位于深圳核心区域,无论是深圳还是粤港澳大湾区其他城市的无人机爱好者,都能轻松快捷到达这里。
2025-09-03 10:00
油菜、白菜、甘蓝、萝卜是大众最熟悉的十字花科作物,也是食用油和蔬菜的主要来源,然而它们都受到同一种毁灭性病害——根肿病的威胁。基于GSL5功能研究和团队所创制的材料,他们还揭示了有趣的病菌与寄主的互作关系,即病菌致病和寄主抗病反应机制。
2025-09-03 10:00
点击羽绒服胸前的按钮,2秒即可速热,实现四档温度调节……1日,在哈尔滨举行的第七届中国国际新材料产业博览会现场,一款造型时尚的智能温控羽绒服吸引不少观展者驻足围观。
2025-09-02 10:23
当地时间9月1日,世界知识产权组织发布最新报告显示,今年的全球创新指数(GII)集群研究将风险资本交易活动作为一项新指标。全球创新指数集群排行榜于2017年创设,通过三项核心指标,识别世界级创新活动在当地的集中程度。
2025-09-02 10:21
强制性国家标准《电动自行车安全技术规范》昨起实施。为保障新国标在本市顺利推行,近日,市市场监管局组织召开在京销售电动自行车生产经营企业约谈指导会。为保障新国标平稳落地实施,本市市场监管部门将强化监督抽检,保障本市电动自行车产品质量安全。
2025-09-02 10:18
会空翻、格斗,能叠衣、调饮,善聊天、“思考”……前不久举行的2025世界机器人大会上,各类机器人本领“进化”、各显神通,展现了人工智能的巨大潜力。如今,从旅游出行的智能助手,到工厂培训的“最强大脑”,再到装备升级的有力支撑,人工智能扮演着越来越重要的角色。
2025-09-02 10:15
零碳园区的建设,对于推动我国经济社会发展全面绿色转型具有重要意义。节能降碳,光靠“外套保温”不够,在园区地上、地下,还有“血液循环”系统来“保持恒温”。
2025-09-02 10:15
在这条新的赛道上,中国青年正在奋力奔跑。
2025-09-02 09:59
记者近日从国家发展改革委获悉,围绕《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》(以下简称《意见》),相关部门将制定出台一系列配套文件。具体来看,一方面将围绕《意见》提出的6大行动若干重点行业领域,分别制定“人工智能+”具体实施方案,进一步细化各行业目标任务、重点方向和工作举措。
2025-09-01 09:56
8月26日,国务院印发《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》。大力发展智能农机、农业无人机、农业机器人等智能装备,提高农业生产和加工工具的智能感知、决策、控制、作业等能力,强化农机农具平台化、智能化管理。
2025-09-01 09:55
生产车间里,抽气泵凹槽上蒸汽弥漫,极细的金属导体经过氯化液处理,三次涂漆后,再附上绝缘漆膜,最终制成直径仅0.012毫米的成品电磁线。 银西产业园甘肃康视达隐形眼镜有限公司的厂房内,智能化生产线高效运转,无人搬运车有序穿梭,整个流程高度自动化。
2025-09-01 09:53
江南大学是一所以轻工特色见长的“双一流”建设高校,发酵工程学科凭借深厚的学科积淀和前瞻性布局,成功跻身国家“A+”学科行列。学校与发酵行业龙头企业共建16个联合研究中心,聘请16名教授级高工和国家级科创人才担任工程技术导师,推动研究生深入产业一线。
2025-09-01 09:52
在山东省大学生创新大赛(2025)暨中国国际大学生创新大赛(2025)山东赛区比赛中,哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院参赛队共荣获10项金奖、1项银奖。 山东省特种焊接技术重点实验室是山东省焊接领域唯一的重点实验室,突出在特种环境、特种材料以及特种结构方面的焊接技术及装备制造研究。
2025-09-01 09:51
当前,全球科技革命与产业变革加速演进,人工智能(AI)正从“辅助工具”跃升为驱动社会变革的核心引擎。
2025-08-29 09:40
中国科幻完成了从文学、影视到互动娱乐的全产业链突破,步入业态融合与创新驱动的关键阶段。科幻阅读作为科幻产业链上游的基础产业,需率先探索高质量发展路径。
2025-08-29 09:38
作为太阳系中目前已知唯一拥有生命的天体,地球宜居性的形成与演化是地球系统科学研究的核心议题。
2025-08-29 09:35
国家气候中心统计数据显示,截至8月28日,华北雨季已持续55天,较常年雨季长度(30天)明显偏长。截至8月25日,华北雨季监测区累计雨量较雨季常年值偏多131%。
2025-08-29 09:18
加载更多