張濤院士：15歲破格考大學，在國際上首次提出「單原子催化」

在今年的2024未來科學大獎中，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員張濤和中國科學院院士、清華大學教授李亞棟因對「單原子催化」的發展和應用所作出的開創性貢獻獲得「物質科學獎」。

近日在接受媒體採訪時，張濤表示，做科學研究一般有兩個追求：一個是上貨架，研發的東西要能夠成為產品，把單原子催化劑大規模推向工業化應用，服務於社會。一個是上書架，單原子催化理論進入教科書，體現我國科學家對世界科學的貢獻。

越過山丘，來到海邊讀最好的研究所

1963年，張濤出生在陝西省安康市。小時候，他的父母當過農民、工人和教師。跟隨父母工作地點的變動，張濤在秦嶺山區的多所學校轉輾求學，「小時候要自己摸黑在山裡走8里地」。由於父母對教育的重視，使他從小對科學充滿了興趣和熱愛。

1978年的春天，郭沫若在全國科學大會閉幕式上的講話《科學的春天》令青年們熱血沸騰，也正是那一年，中國開啟了改革開放歷史征程。彼時，不足15歲的張濤正在讀高一。在國家「早出人才、快出人才」的倡導下，他所在的陝西省安康中學按照2%的比例，選了11名成績優異的高一學生提前參加高考，張濤正是其中之一。

由於高二的課程還沒學，張濤的成績不算拔尖。最終，熱愛數學的他被調劑到漢中師範學院（現陝西理工大學）化學系。「化學就是研究物質的奧秘，入門後發現，合成新物質挺有意思。」由於剛剛恢復高考，15歲的他和班級里年齡最大的同學相差了20歲。

在那個激情燃燒的歲月，「學好數理化，走遍天下都不怕」成了青年們的奮鬥口號。張濤立誌成為科學家。但當時，他所在的大學條件有限，買不起實驗儀器，「所以一考實驗就不知道要怎麼做。」

長期在陝南的秦嶺和巴山裡面學習與生活，使張濤對大山外面的世界非常渴望。「一直好奇山的外面是什麼，但爬到山頂，發現山外面還是山。」大學畢業後，他回到母校安康中學教了一年書，同時準備報考研究生。他還為自己定下了兩個關鍵坐標，一個是要在大海邊，一個是要選中國最好的研究所。

「兩個坐標交叉後，1983年，我來到了中國催化的殿堂——中國科學院大連化學物理研究所開始讀研。」他說，在那裡，導師林勵吾院士和臧景齡研究員，將他引進了催化化學的研究領域，開始從事高分散金屬催化劑的研究。

將催化研究從納米級向原子級推進

化學工業對現代社會具有重要影響，而催化是當今化工產業的核心科技。催化劑可以加快化學反應速度，80%以上的化工過程與催化技術有關。

人類對催化技術的利用已有幾千年的歷史。舉例來說，釀酒釀醋就是典型的催化過程，糧食中的澱粉在微生物的作用下轉變成酒精和醋酸，微生物就是催化劑。再如，氨是化肥工業和基本有機化工的主要原料。氮和氫在高溫高壓和鐵催化劑存在下可以直接合成氨，這奠定了現代農業的基礎。

所以，開發高效催化劑和相應可行的合成方法，是化學化工學科最重要的研究目標之一。

「黃金是一種惰性金屬，通常不會因氧化而褪色。上世紀80年代，國外專家發現，把黃金顆粒尺寸降低到三四個納米時，黃金粉末是非常活潑的，可以促進催化反應，此發現引發了納米催化的熱潮。」張濤說，2000年左右，完成航天催化相關的國家任務後，做「金屬催化劑」出身的他，開始重新審視納米催化領域。

很多催化劑含有貴金屬，催化反應在貴金屬表面發生。由於貴金屬資源稀缺、價格昂貴，提高貴金屬原子利用效率，便成為催化劑製備科學的核心問題之一。「納米顆粒是由幾百個甚至上千個原子組成的，納米催化劑的分散度還可以進一步提高，其極限是將金屬以單個原子的形式分散於載體上，形成單原子分散。」

這一思想已經被催化研究人員意識到，但是受限於催化劑製備技術以及表徵水平等客觀因素，「單原子催化劑」與「單原子催化」的概念一直未能被完整證實並正式提出。

2011年，張濤與合作者在國際上首次報導了單原子催化劑的製備與性能，並在此基礎上提出了「單原子催化」的概念。這種催化劑中所有的鉑都是呈單原子分散狀態，不僅穩定性卓越，其單位點催化活性更是傳統納米催化劑的數倍，實現了貴金屬利用率的最大化，使低成本高效貴金屬工業催化劑開發成為可能。

回憶起當時的情景，張濤形容為「天時地利人和」。「我們的思考和研究到位了，世界儀器水平發展也到位了，使我們可以從球差校正電子顯微鏡中清楚看到單個原子。」如今，這一由中國學者原創提出的「單原子催化」，已成為催化乃至整個化學和材料領域新的研究前沿與熱點之一。

結合人工智能技術，有望實現催化劑精準製備

在解決熱穩定性問題的同時，張濤團隊成功製得工業級單原子催化劑，為單原子催化劑的工業化奠定了基礎。他們的研究成果已激發和推動了氯乙烯、乙酸、丙醇等大宗化學品綠色高效的工業化生產。

「我們做科學研究一般有兩個追求，一個是上貨架，研發的東西要能夠成為產品，把單原子催化劑大規模推向工業化應用，服務於社會。一個是上書架，單原子催化理論進入教科書，體現我國科學家對世界科學的貢獻。」

未來，「單原子催化」的發展趨勢如何？

張濤說，從宏觀的傳統催化到納米催化，已經跨越了一大步，如今單原子催化新概念的提出，使得人們對催化的研究和理解已經深入到原子尺度，也就是以化學最小的極限尺度理解化學反應的催化機理和本質，這非常令人激動。以往催化劑的製備主要通過實驗「試錯」的方式，如今從原子尺度理解催化反應後，未來結合人工智能技術，有望實現催化劑的理性設計和精準製備。

新京報記者 張璐

編輯 樊一婧 校對 劉軍