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

  • 第23届中国-东盟博览会在南宁闭幕

  • 今天凌晨,天安门广场大花篮亮相了

独家策划

推荐阅读
一个优良豆类品种的诞生,至少需1代杂交、6代自交,用传统育种方式得花10年左右。10年后的“新品种”,还能满足市场需求吗?尽可能缩短育种时间,才能减少不确定性。
2026-09-22 09:18
目前,“拉索”已联合“天关”“中国天眼”“银河画卷”等不同波段天文设施形成新的队伍,对重要科学问题进行攻关。
2026-09-22 09:09
记者从中国地质大学(北京)邢立达课题组获悉,中外科学家团队在安徽下三叠统南陵湖组地层中发现巨型鲎类遗迹化石。
2026-09-22 09:01
西北大学地质学系研究员韩健等联合国内外研究学者,在距今5.18亿年的云南澄江生物群中发现了步带动物新物种——胶膜玉净虫。
2026-09-22 09:00
在甘肃科技馆的科学市集“创想驿站”,兰州市第二十二中的段延浩站在自己制作的模型前,沿着风机、太阳能板、储电仓一路介绍。
2026-09-22 08:59
“面向智能社会的科学素质:机遇、挑战与变革”
2026-09-22 08:07
2026科普中国智库论坛暨第三十二届全国科普理论研讨会
2026-09-21 17:29
棘皮动物辐射对称,具钙化骨骼和管足;半索动物两侧对称,身体柔软并保留鳃裂。由此推论,步带动物两个门类的共同祖先并非此前推测的无触手蠕虫状动物,实际上部分类群已经具有较为发达的滤食附肢。
2026-09-21 09:23
弘扬科学家精神,既要有庄重的纪念,也需要在生活中讲好具体的、鲜活的人和故事。
2026-09-21 09:18
20日,在由中国科普研究所主办的2026科普中国智库论坛暨第三十二届科普理论研讨会上,数项新成果——《国家科普能力发展报告(2024—2025)》、《中国公民科学素质报告(2025—2026)》、《科普服务高质量发展智库报告》、《鼎新致远:科普服务高质量发展的实践探索》、“科普人才培养丛书”及《中国科幻发展年鉴2026》发布。
2026-09-21 09:16
北京大学第三医院运动医学科副主任医师刘振龙对此给出了一个基本判断:“AI+医生”人机协作模式的探索,将进一步推动AI技术与专业医疗服务的融合创新。今年5月,复旦大学附属中山医院“胸部一扫多查智能体”落地应用,处理病例已超250万例。
2026-09-21 09:15
记者20日从科技部获悉,2025年度全国科普统计数据显示,我国科普经费投入稳健增长,公共财政投入发挥引领作用,2025年全国科普工作经费筹集额达243.98亿元,比2024年增长9.8%。
2026-09-21 09:08
工业和信息化部近期印发《信息通信行业发展“十五五”规划》,提出到2030年,全面建成覆盖完善、性能领先的新一代通信网,为到2035年基本实现信息通信行业现代化奠定坚实基础。新一代通信网是以6G为代表的下一代通信基础设施,是通信、感知、计算、智能深度融合的全新网络形态。
2026-09-20 09:30
2026海洋合作发展论坛日前在山东青岛举办。论坛上发布的《中国海洋发展指数报告2026》显示,2025年中国海洋发展指数为132.3,比上年增长2.5%,海洋经济高质量发展稳步推进,海洋强国建设取得新成效。
2026-09-20 02:25
工业和信息化部、国家发展改革委等十部门18日发布《医药工业发展“十五五”规划》。规划提出,到2030年,生物医药研发应用稳居世界前列,创新驱动效能充分释放,重点领域关键核心技术实现系统性突破。
2026-09-20 02:35
赛场空域,细如发丝的光纤从指尖牵向无人机,操控手屏息凝神,稳稳控住摇杆,指尖稍一晃动,任务成败便在毫厘之间。湖畔的测试区域,学生们手握遥控器,操控自研履带车沿着岸边缓缓“散步”,在低速行进中认真打磨每一处细节。
2026-09-20 02:25
望宇登月服研制工作已攻克数十项关键技术。
2026-09-20 09:26
学术专著《医学传播学通论》由上海科技教育出版社正式出版。
2026-09-18 20:52
近期,我国北方多地进入秋季花粉高峰期。秋季致敏花粉主要来自蒿属、葎草属、豚草属、藜科、苋科等草本植物。这些植物的花并不显眼,却能产生数量庞大的花粉。
2026-09-18 10:20
一个月球上新形成的陨石坑,让研究人员有机会了解这颗离我们最近的天体的复杂地质构造。该陨石坑由发生在2024年的一次小行星撞击形成,直径约为222米,是迄今人们亲眼观测到形成过程的最大陨石坑。
2026-09-18 10:24
加载更多