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

  • 50载涅槃,新唐山再铸辉煌

  • 辽宁长山群岛候鸟栖息地成功纳入世界自然遗产

独家策划

推荐阅读
国家统计局27日发布数据显示,今年上半年,全国规模以上工业企业营业收入同比增长6.5%,较一季度加快1.5个百分点。营业收入加快增长,
2026-07-28 04:15
推动科技创新与产业创新深度融合,是培育新质生产力、构建现代化产业体系,实现高水平科技自立自强的关键路径。习近平总书记深刻指出“人才资源是第一资源,
2026-07-28 04:25
作为走进企业的“科技副总”,浙江大学周鸣川研究员与某民营医疗机构共建联合实验室,推动眼科手术机器人进入国家创新审批通道;浙江农林大学王翀教授与杭州某饲料企业深度合作,
2026-07-28 04:25
未来,如何让当地群众在世界遗产保护工作中获益?为此,记者专访了东亚—澳大利西亚候鸟迁徙研究中心主任、黄(渤)海候鸟栖息地申遗首席专家雷光春。
2026-07-28 04:20
缺硼会让庄稼“烂根绝收”,全球超百种作物依赖硼肥才能保证产量。
2026-07-28 04:20
刘文郡:中国启动“人工智能+”行动,通过协同推进传统产业改造升级、新兴产业培育壮大与未来产业前瞻布局,让人工智能深度赋能千行百业。中国相继提出《全球人工智能治理倡议》《“人工智能+”国际合作倡议》,发布《人工智能能力建设普惠计划》《人工智能合作发展行动计划》,倡议成立世界人工智能合作组织。
2026-07-27 09:31
7月26日18时,水利部和中国气象局联合发布红色山洪灾害气象预警,江西南部、广东中北部局地发生山洪灾害可能性很大(红色预警)。涂勇介绍,主汛期山区降雨突发性强、峡谷汇水迅猛,进山务必提前关注山洪、暴雨预警,收到预警应立即取消行程。
2026-07-27 09:29
7月26日凌晨,今年第12号台风“红霞”在广东惠州市惠东县平海镇沿海登陆。”  针对台风远距离水汽输送导致的暴雨预报难题,气象部门采用集合预报方法,通过多个模式、多个初始场的集成分析,量化预报的不确定性。
2026-07-27 09:28
眼下正是小龙虾上市的季节,走进安徽省滁州市全椒县十字镇陈浅村潘氏龙虾万亩养殖基地,养殖户们正下田捕捞小龙虾。当前,全椒县稻虾综合种养面积36.5万亩,小龙虾年产量5.5万吨,稻虾全产业链综合产值34亿元、从业人数4万多人,小龙虾成了乡村振兴的主导产业之一。
2026-07-27 09:28
光明日报武汉7月26日电 记者王建宏、张锐从华中农业大学获悉,该校熊立仲教授团队近日鉴定出一个名为“ROAD1”的稻属特异抗旱孤儿基因,并发现携带这个功能等位基因的水稻在田间干旱条件下产量较对照显著提高。
2026-07-27 09:27
光明日报北京7月26日电 记者张胜从自然资源部获悉,每年的7月26日是联合国教科文组织确立的“世界红树林日”。自然资源部数据显示,自《红树林保护修复专项行动计划(2020—2025年)》印发实施以来,我国完成新营造红树林约1.16万公顷(17.4万亩),是全球少数红树林面积持续增加的国家之一。
2026-07-27 09:27
国家药监局近日批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。该药为原创靶点、新机制罕见病治疗药物,在中国、美国、日本、欧盟同步申报,我国率先完成审批,实现全球“首报首发”的历史性突破。
2026-07-24 08:55
记者从市场监管总局了解到,国际电工委员会智能制造系统委员会近日发布IEC SRD 63459:2026《智能制造用例模板》国际标准。为此,国际电工委员会智能制造系统委员会于2019年成立首个工作组,组织各国专家制定国际统一的智能制造用例模板,以统一的方式描述、存储和使用用例。
2026-07-24 08:51
23日20时,我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火箭,成功将天链二号06星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-07-24 08:50
王虹、邓煜与其他两位数学家共同获得菲尔兹奖,这是令国人振奋的消息,也是中国数学家感到自豪的时刻。邓煜的另一项研究,是与合作者成功建立了三维波动方程吉布斯测度的不变性,将概率论方法系统性地引入波动方程研究。
2026-07-24 08:49
记者从北京大学获悉,2026年国际数学家大会23日在美国费城开幕。王虹,本科就读于北京大学数学科学学院,获理学学士学位;2014年相继取得巴黎综合理工学院工程师学位与巴黎-萨克雷大学硕士学位;后于麻省理工学院完成博士学位。
2026-07-24 08:48
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
加载更多