张涛和李亚栋教授凭借在单原子催化领域的创新贡献荣获物质科学奖。他们的研究不仅为理解多相金属催化剂的活性中心开辟了新视角，还实现了在原子水平上对固态催化剂的精确调控。这一领域的研究现已站在异相催化科技的最前沿。通过他们的努力，诸如氯乙烯、乙酸和丙醇等重要化学品的生产过程变得更加环保和节能。这些成果不仅彰显了单原子催化在推动社会可持续发展方面的巨大潜力，也为化工产业的创新和进步提供了强有力的支持。
一、化工王国的璀璨明珠：催化剂的关键角色
在化学工业的浩瀚王国中，催化剂宛如一颗熠熠生辉的璀璨明珠，它以强大的魔力支撑着超过80%的化工生产流程。而在这其中，负载贵金属的催化剂更是如同王者之剑，扮演着至关重要的关键角色。然而，其高昂的成本如同沉重的枷锁，有限的资源恰似束缚的绳索，共同成为制约化工产业蓬勃发展的棘手难题。究竟如何提升贵金属的利用效率，避免资源的无端浪费？这已然成为业界亟待攻克的艰巨挑战，如同横亘在前进道路上的险峻山峰。
二、单原子催化剂的奇幻之旅：从漫长探索到破晓之光
固相金属催化剂，通常以纳米颗粒的形态广泛活跃于工业生产的舞台。早在上世纪60年代，充满探索精神的科研人员便踏上了将金属分散于载体表面，以单个金属原子作为异相催化中心的催化剂开发之旅。但奈何缺乏简易可行、广泛适用的制备方法以及科学的表征手段，这个充满潜力的领域始终未能充分绽放光芒。
在长达一个多世纪的漫长时光里，科研勇士们执着地致力于揭开活性位点那神秘的面纱，探寻其反应机制的奥秘。然而，复杂多变的催化剂结构如同迷宫般错综复杂，捉摸不定的反应路径恰似蜿蜒曲折的小径，让这一目标如同遥不可及的星辰，难以实现。直到20世纪80年代，金属单原子催化的概念犹如一颗微弱的星辰初现端倪，但受限于当时的技术水平，这一概念仅仅停留在充满幻想的理论构想阶段，如同被封印的宝藏等待开启。
2011年，张涛等人在《NatureChemistry》中报道的单原子铂催化CO氧化反应，恰似一道划破黑暗的破晓曙光，瞬间照亮了催化领域的广阔天空。这一惊人的发现如同在平静的湖面投下一颗巨石，引发了一场全球性的研究风暴。从此，单原子催化时代正式吹响了启航的号角，开启了一段充满奇迹与挑战的奇幻征程。
在随后的十载岁月里，单原子催化领域如同展翅高飞的雄鹰，从热催化迅速拓展至电催化、光催化等更为广阔的应用天地。这一壮举极大地推动了纳米科学研究向微观化进程迈进，如同打开了一扇通往微观世界的神秘大门。
单原子催化剂以其独特的魅力，将金属活性中心以孤立原子的形式稳稳地锚定于载体之上。这一创新之举不仅极大地提升了催化效率，如同为化学反应注入了强大的动力，还实现了原子级的精准利用，仿佛是一把精密的钥匙，开启了高效催化的宝库。它展现出与传统纳米催化剂截然不同的活性、选择性与稳定性，成功地在均相与多相催化之间架起了一座坚固的桥梁，如同连接两个不同世界的神奇通道。
三、催化先锋张涛与学界传奇李亚栋
（一）张涛：航天与化工领域的无畏探索者
张涛，1963年诞生于陕西这片充满历史底蕴的土地。作为中国科学院大连化学物理研究所的研究员及副院长，他犹如一位勇敢的探险家，深耕于能源化工与催化新材料的创新研究领域。他的努力如同星星之火，为推动产业升级提供了强大的科学支撑，仿佛是照亮前行道路的明灯。
在航天航空催化剂的神秘领域，张涛取得了令人瞩目的突破性进展。特别是在毫秒级推进剂分解反应的研究中，他开发出的新型有序介孔材料以及模拟贵金属特性的催化剂，如同神奇的魔法棒，为航天航空与石化工业的催化剂应用开辟了崭新的天地。他的成就显著增强了我国在航天领域的自主创新能力，如同为国家的航天事业披上了坚固的铠甲。
2020年，大连化物所自主研发的多相单原子催化剂在宁波的工业生产中大放异彩，成功实现了正丙醇的大规模合成。这一壮举充分展示了单原子催化剂那广阔的应用潜力，如同打开了一扇充满希望的大门，有效缓解了我国对关键化工原料的供需紧张局面，恰似一场及时雨滋润了干涸的土地。
（二）李亚栋：从平凡教师到学界传奇的华丽蜕变
李亚栋，1964年出生于安徽这片充满灵气的土地。他是无机化学领域的杰出学者，如同一位智慧的魔法师，现任清华大学化学系教授及安徽师范大学校长。他的科研生涯专注于无机纳米材料合成化学的前沿探索，仿佛是在未知的海洋中勇敢航行的探险家。
2005年，李亚栋在《Nature》上发表的“纳米晶体的通用合成策略”，如同打开了一扇通往神奇世界的大门。通过独创的界面调控机制，他开启了多种纳米材料的精准合成之门，此成果被赞誉为当年中国基础研究的重大突破，恰似一颗璀璨的明星照亮了科研的天空。
近年来，李亚栋毅然投身单原子催化研究的浩瀚海洋，开发了一系列高效制备技术，如同一位技艺高超的工匠，精心雕琢着科学的瑰宝。他引领了单原子催化剂从实验室走向产业化的国际潮流，为高性能催化剂的低成本生产铺平了道路，仿佛是一位勇敢的开拓者，为后人开辟了一条充满希望的大道。
李亚栋的人生哲学强调“细微之处见真章”，他的成长故事如同一部励志的传奇。从一名普通的中学教师，凭借着不懈的努力和顽强的毅力，最终跃升为学界的领军人物。这一历程与陈仙辉颇为相似，两人皆是在钱逸泰院士门下深造，共同见证了从平凡到卓越的华丽蜕变，如同两颗璀璨的星星在科研的天空中交相辉映。他以“欧姆定律”比喻成才之道，鼓励后辈勇于挑战，不畏艰难，唯有坚持不懈，方能抵达成功的彼岸，仿佛是一位睿智的导师，为后人指引着前进的方向。
四、单原子催化剂的神奇魅力：特点与优势尽显
（一）原子利用率的巅峰
单原子催化剂作为一种令人惊叹的理想催化剂类型，完美地兼具了均相与多相催化剂的优点。其原子利用率高达约100%，如同一个高效的魔法工厂，将每一个原子的价值发挥到极致。单个原子的配位度较低，这使得它极易与载体及反应物种发生奇妙的化学作用，因而表现出超高的本征活性，仿佛是一把锋利的宝剑，在化学反应的战场上所向披靡。
（二）高度均一的活性位点与极致选择性
单原子活性位点高度均一且明确，如同精确校准的指南针，在化学反应的海洋中为反应指明方向。这使得催化剂在反应中表现出超高的选择性，仿佛是一位技艺精湛的工匠，精心雕琢着每一个化学反应的产物。
（三）易于分离、稳定性与可重复利用性的完美结合
单原子催化剂易于分离，如同一位独立的侠客，在完成使命后能够轻松地离开战场。它具有较好的稳定性，如同坚固的堡垒，在各种复杂的环境中坚守阵地。同时，它还具有可重复利用性，如同一个循环不息的宝藏，为化学反应提供持续的动力。
五、单原子催化剂的多彩世界：类型与应用领域广泛
据可靠报道，单原子催化的神秘研究中，涉及到的单原子种类已经多达30多种，如同一个丰富多彩的元素宝库。常见的主要有Pt、Pd、Au、Ir、Ag、Rh等珍贵的贵金属，它们如同闪耀的宝石，散发着迷人的光芒。还有Fe、Co、Ni、Cu等非贵金属，它们如同低调的勇士，默默发挥着自己的力量。
常用的载体也极其丰富，仿佛是一个庞大的舞台。主要有金属及金属氧化物，如FeO、TiO和AlO等，它们如同坚实的基石，为单原子催化剂提供稳定的支撑。此外，碳基载体也是常用的催化剂载体，如碳纳米球、纳米碳纤维、石墨烯、金属有机框架衍生碳、共价三嗪框架、氮化碳和酞菁衍生碳等，它们如同神奇的魔法道具，为单原子催化剂增添了更多的可能性。
单原子催化剂涉及到的催化反应类型多样，如同一个绚丽多彩的化学反应万花筒。主要包括CO氧化及选择性氧化、加氢及选择性加氢、NO还原与氧化、水煤气变换、有机合成、甲醇水蒸气重整、燃料电池、光电催化、甲醛氧化等。每一种反应都像是一场精彩的魔法表演，展现出单原子催化剂的强大威力。
六、唤醒沉睡的贵金属：挑战与解决方案
（一）贵金属催化剂的效率困境
催化剂被誉为现代化学工业的强大心脏，90%以上的化工过程与催化技术紧密相连。许多催化剂中含有珍贵的贵金属，催化反应在贵金属表面悄然发生，起催化作用的金属原子被称为“活性中心”。然而，真正参与催化反应的活性中心却少之又少，绝大多数贵金属原子都“沉睡”在表面以下，如同被封印的宝藏无法发挥作用，导致催化效率低下。由于贵金属资源稀缺如同珍贵的宝藏难以寻觅，价格昂贵如同璀璨的宝石令人望而却步，提高贵金属原子利用效率，便成为催化剂制备科学的核心问题之一，如同解开一道复杂的谜题。
（二）单原子催化剂的神奇解法
实现活性金属以单原子的形式分散，达到金属分散的极限，即单原子催化剂（SAC），这是催化领域长期追求的神圣目标之一。将贵金属原子高度分散在大比表面积的载体上，如同将星星洒落在广阔的天空中，形成单个原子分散的多相催化剂，从而实现催化效率“以一当十”的宏伟目标，极大地降低贵金属催化剂的成本。
例如，假设一块砖体积为20乘10乘5厘米，如果采用纯金制备，那将是价值高昂的奢侈品；但如果将一块同样大小的砖头上面仅覆盖一个原子层厚度的金，则所用金的价值仅为1美分，两者成本相差悬殊，却如同孪生兄弟般在催化效果上可能相似。这一神奇的现象如同魔法般令人惊叹，为解决贵金属催化剂的成本问题提供了新的思路。
七、单原子催化剂的原创传奇：贡献与机遇挑战
单原子分散，是全世界科学家苦苦追寻已久的梦想。早在1999年，日本科学家岩泽康裕通过X射线吸收谱推测原子级分散的铂可能具有与纳米粒子相同的活性，如同在黑暗中点亮了一盏微弱的灯。2005年，中国科学家徐柏庆等发现，表面孤立的金离子是加氢反应活性中心，如同在迷雾中找到了一把关键的钥匙。
2009年，张涛课题组在长期从事高分散催化剂研究的坚实基础上，终于实现了氧化铁负载铂单原子催化剂的实用方法制备，如同打开了一扇通往新世界的大门。随后，他们与清华大学教授李隽、美国亚利桑那州立大学教授刘景月合作开展了系统研究，如同一场跨国界的科学盛宴。2011年，他们在《Nature-化学》上发表论文，正式提出“单原子催化”的新概念，如同在科学的天空中升起了一颗耀眼的新星。
随后，单原子催化剂迅速成为多相催化领域最活跃的研究前沿，中国科学家始终扮演着引领者的角色，如同勇敢的领航员带领着世界科学的舰队前行。如2014年，张涛与中科院大连化物所研究员王爱琴团队报道了取代硝基苯化合物的选择加氢，首次证明单原子催化剂在选择加氢反应中的独特优势，如同在化学反应的战场上竖起了一面胜利的旗帜。中科院院士、清华大学教授李亚栋团队多年来开发了一系列氮修饰的碳材料负载的各种金属单原子催化剂制备方法及应用，如同一位神奇的魔法师创造出无数的科学奇迹。厦门大学教授郑南峰、傅钢团队合作，利用单原子催化剂清楚解释了碱金属助剂的作用，如同解开了一道复杂的科学密码。
然而，单原子催化的基础科学问题尚未完全解决，如同一个神秘的谜题等待着科学家们去解开。催化剂活性位及其稳定机制犹如“黑匣子”一般尚不清晰，仍需加强对反应过程中单原子的配位环境和分散状态研究，如同在黑暗中探索未知的道路。同时，该领域研究还需借助超高空间和能量分辨的原位表征技术和现代理论计算方法，迫切依赖多学科技术发展及融合应用，如同搭建一座通往科学巅峰的桥梁。