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 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 河南温县:持续做强铁棍山药产业

  • 山东荣成:鲍鱼南下“越冬”

独家策划

推荐阅读
全透明光伏发电玻璃可使玻璃幕墙建筑成为分布式光伏电站;新一代柔性太阳能电池阵,能为中国空间站提供电力保障。下一步,我们要高水平推进“中国碳谷”建设,形成创新合力,打通基础研究、技术攻关、产业孵化和品牌塑造全链条。
2026-11-11 09:27
国家卫生健康委、国家医保局、国家中医药局、国家疾控局共同制定印发《关于进一步做好创新药安全合理配备使用工作的通知》,满足群众多元化用药需求,提高疾病治疗效果,保障医疗质量安全。
2026-11-11 01:45
培育和发展新质生产力急需高质量创新人才。高校的独特之处,在于教育、科技、人才要素集聚,它处在科技第一生产力、人才第一资源、创新第一动力的结合点上,也承担着将三者统合起来的制度功能。
2026-11-11 01:45
与其说是AI解出了难题,不如说是人类在AI的协助下拓展了边界。这带来的不仅是解题速度的提升,更是一场深刻的科研范式之变。
2026-11-11 01:45
主动对接国家西部战略和甘肃现代产业体系建设
2026-11-11 01:45
“把技术真正用到生产线上,把产品的附加值提上去,为三峡库区的发展出一份力。”11月7日,重庆三峡医药高等专科学校青年教师黎春红,在重庆国际人才交流大会第四届重庆三峡人才节开幕式上的发言,道出了扎根库区青年人才的共同心声。
2026-11-11 01:45
2026文化科技产业发展论坛9日在湖南长沙开幕,在论坛现场,2026文化科技融合十大典型案例以及20个创新案例发布。
2026-11-10 01:40
访客随手拿起一张,掏出手机或用现场扫码器扫一扫二维码,技术亮点、应用场景、项目负责人信息等全部跃然眼前。厚重的专利卷宗、深奥的学术论文,就这样化作产业人士可以快速读懂的内容。
2026-11-10 01:40
镜头这边,是华东政法大学研支团的黄祖维、常秩豪、杨朗;镜头那头,是云南普洱景东华政附属三合麦地小学的小学生,和新疆喀什巴楚县第二中学的初高中生。500多个孩子,隔着屏幕看进博。这是华政研支团连续第五年开展“云端看进博”,3位讲师刚结束一年支教,曾站在这两处山乡讲台,如今是进博会的“小叶子”。
2026-11-10 02:00
事实上,这并不是镜片行业一次偶然的“乱”。这背后,是标准的缺失与监管模糊地带的长久存在。眼镜虽小,却关乎几亿人的明亮“视”界。近视防控镜片行业信任的“标尺”,不仅应尽快立起来,更要立得牢。
2026-11-10 01:40
那时,一封薄薄的书信从江苏昆山寄到钱七虎手中,寄信人叫李珍珍,一个还在读中学的女孩。她不是钱七虎的亲孙女,而是他在家乡昆山资助的第一个孩子。
2026-11-10 01:40
11月10日,第九届进博会将落下帷幕。25年前的11月10日,多哈的一声木槌宣告中国加入世界贸易组织。25年前,中国拥抱世界市场;25年后,世界共享中国市场。这个特殊的日子,标注出中国与世界关系的深刻变迁。
2026-11-10 02:00
美国国家航空航天局(NASA)近日确认,“尼尔·格雷尔斯·斯威夫特天文台”(以下简称“雨燕”)已于美国东部时间11月4日7时39分(北京时间4日20时39分),在印度尼西亚北苏门答腊地区上空再入地球大气层。NASA表示,10月20日,“雨燕”的轨道高度已下降至约275公里,无法再稳定维持科学观测所需的姿态,任务团队随后结束了其运行。
2026-11-09 10:11
携程研究院分析师方泽茜也用“花香自有蝶飞来”作出注解——入境“科技游”火热,正是中国制造与科技创新能力向外溢出,落到旅游消费的直接体现。在方泽茜看来,“科技游”为青少年搭建起连接知识与兴趣的桥梁,“社交打卡+文化沉浸”的科技场景,精准契合他们的偏好。
2026-11-09 10:11
大型邮轮被誉为造船工业“皇冠上的明珠”。继2023年11月“爱达·魔都号”华丽亮相,11月6日,第二艘国产大型邮轮“爱达·花城号”在上海交付,船型体量更大,配套设备更先进,船体也更加秀美。
2026-11-09 10:11
近日,产自宁夏银川市贺兰县盐碱水域的湖蟹经厦门中转,顺利运抵马来西亚吉隆坡国际机场。这是宁夏活蟹获得出口资质后的首单自营出口,宁夏盐碱特色水产品自此正式进入海外市场。
2026-11-09 10:10
”中国原子能科学研究院副研究员孙伟介绍,“日冕加热”问题不仅是当代天文学的未解之谜,也是国际研究的前沿热点问题之一。在实验室里摸清日冕的加热机制,有助于摸准太阳的“脾气”,进一步提升空间天气预报模型的准确度,为相关设备预留更充裕的防护时间。
2026-11-09 10:10
11月,在山东建筑大学,虽已回到校园,但建筑电气与智能化专业学生王凡的思绪却总回到千里之外的青海金银滩草原。今年夏天,他作为山东赴海北暑期交流实习队伍的一员,在青海海北藏族自治州海晏县应急管理局实习了两个月。
2026-11-06 09:49
11月5日,“雪龙2”号极地科考破冰船在海南三亚南山港科考码头进行停靠补给并举行公众开放日活动。图为“雪龙2”号极地科考破冰船。
2026-11-06 09:48
恒星的亮度并非恒定不变,有的会突然变亮,有的会骤然变暗,变化快的,几分钟内便完成一轮明暗变化。臧伟呈表示,这项巡天的初始科学目标,是用微引力透镜方法搜寻地球到火星质量级别的流浪行星。
2026-11-06 09:47
加载更多