张涛院士：15岁破格考大学，在国际上首次提出“单原子催化”

在今年的2024未来科学大奖中，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员张涛和中国科学院院士、清华大学教授李亚栋因对“单原子催化”的发展和应用所作出的开创性贡献获得“物质科学奖”。

近日在接受媒体采访时，张涛表示，做科学研究一般有两个追求：一个是上货架，研发的东西要能够成为产品，把单原子催化剂大规模推向工业化应用，服务于社会。一个是上书架，单原子催化理论进入教科书，体现我国科学家对世界科学的贡献。

越过山丘，来到海边读最好的研究所

1963年，张涛出生在陕西省安康市。小时候，他的父母当过农民、工人和教师。跟随父母工作地点的变动，张涛在秦岭山区的多所学校转辗求学，“小时候要自己摸黑在山里走8里地”。由于父母对教育的重视，使他从小对科学充满了兴趣和热爱。

1978年的春天，郭沫若在全国科学大会闭幕式上的讲话《科学的春天》令青年们热血沸腾，也正是那一年，中国开启了改革开放历史征程。彼时，不足15岁的张涛正在读高一。在国家“早出人才、快出人才”的倡导下，他所在的陕西省安康中学按照2%的比例，选了11名成绩优异的高一学生提前参加高考，张涛正是其中之一。

由于高二的课程还没学，张涛的成绩不算拔尖。最终，热爱数学的他被调剂到汉中师范学院化学系。“化学就是研究物质的奥秘，入门后发现，合成新物质挺有意思。”由于刚刚恢复高考，15岁的他和班级里年龄最大的同学相差了20岁。

在那个激情燃烧的岁月，“学好数理化，走遍天下都不怕”成了青年们的奋斗口号。张涛立志成为科学家。但当时，他所在的大学条件有限，买不起实验仪器，“所以一考实验就不知道要怎么做。”

长期在陕南的秦岭和巴山里面学习与生活，使张涛对大山外面的世界非常渴望。“一直好奇山的外面是什么，但爬到山顶，发现山外面还是山。”大学毕业后，他回到母校安康中学教了一年书，同时准备报考研究生。他还为自己定下了两个关键坐标，一个是要在大海边，一个是要选中国最好的研究所。

“两个坐标交叉后，1983年，我来到了中国催化的殿堂——中国科学院大连化学物理研究所开始读研。”他说，在那里，导师林励吾院士和臧景龄研究员，将他引进了催化化学的研究领域，开始从事高分散金属催化剂的研究。

将催化研究从纳米级向原子级推进

化学工业对现代社会具有重要影响，而催化是当今化工产业的核心科技。催化剂可以加快化学反应速度，80%以上的化工过程与催化技术有关。

人类对催化技术的利用已有几千年的历史。举例来说，酿酒酿醋就是典型的催化过程，粮食中的淀粉在微生物的作用下转变成酒精和醋酸，微生物就是催化剂。再如，氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料。氮和氢在高温高压和铁催化剂存在下可以直接合成氨，这奠定了现代农业的基础。

所以，开发高效催化剂和相应可行的合成方法，是化学化工学科最重要的研究目标之一。

“黄金是一种惰性金属，通常不会因氧化而褪色。上世纪80年代，国外专家发现，把黄金颗粒尺寸降低到三四个纳米时，黄金粉末是非常活泼的，可以促进催化反应，此发现引发了纳米催化的热潮。”张涛说，2000年左右，完成航天催化相关的国家任务后，做“金属催化剂”出身的他，开始重新审视纳米催化领域。

很多催化剂含有贵金属，催化反应在贵金属表面发生。由于贵金属资源稀缺、价格昂贵，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。“纳米颗粒是由几百个甚至上千个原子组成的，纳米催化剂的分散度还可以进一步提高，其极限是将金属以单个原子的形式分散于载体上，形成单原子分散。”

这一思想已经被催化研究人员意识到，但是受限于催化剂制备技术以及表征水平等客观因素，“单原子催化剂”与“单原子催化”的概念一直未能被完整证实并正式提出。

2011年，张涛与合作者在国际上首次报道了单原子催化剂的制备与性能，并在此基础上提出了“单原子催化”的概念。这种催化剂中所有的铂都是呈单原子分散状态，不仅稳定性卓越，其单位点催化活性更是传统纳米催化剂的数倍，实现了贵金属利用率的最大化，使低成本高效贵金属工业催化剂开发成为可能。

回忆起当时的情景，张涛形容为“天时地利人和”。“我们的思考和研究到位了，世界仪器水平发展也到位了，使我们可以从球差校正电子显微镜中清楚看到单个原子。”如今，这一由中国学者原创提出的“单原子催化”，已成为催化乃至整个化学和材料领域新的研究前沿与热点之一。

结合人工智能技术，有望实现催化剂精准制备

在解决热稳定性问题的同时，张涛团队成功制得工业级单原子催化剂，为单原子催化剂的工业化奠定了基础。他们的研究成果已激发和推动了氯乙烯、乙酸、丙醇等大宗化学品绿色高效的工业化生产。

“我们做科学研究一般有两个追求，一个是上货架，研发的东西要能够成为产品，把单原子催化剂大规模推向工业化应用，服务于社会。一个是上书架，单原子催化理论进入教科书，体现我国科学家对世界科学的贡献。”

未来，“单原子催化”的发展趋势如何？

张涛说，从宏观的传统催化到纳米催化，已经跨越了一大步，如今单原子催化新概念的提出，使得人们对催化的研究和理解已经深入到原子尺度，也就是以化学最小的极限尺度理解化学反应的催化机理和本质，这非常令人激动。以往催化剂的制备主要通过实验“试错”的方式，如今从原子尺度理解催化反应后，未来结合人工智能技术，有望实现催化剂的理性设计和精准制备。