催化在能源转化、材料合成、环境保护乃至生命健康等领域，都发挥着不可替代的重要作用，堪称现代化学工业的“心脏”。然而，此前催化研究很大程度上依赖经验和反复试验，研究人员虽然能观察到催化剂的效果，但对于催化反应具体在原子层面是如何发生的，其背后的机理和本质是什么，往往并不清楚。

7月8日召开的国家科学技术奖励大会上，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”）研究员张涛，中国科学院院士、清华大学教授李隽，大连化物所研究员王爱琴、研究员乔波涛、研究员杨小峰共同完成的“单原子催化”成果，荣获2025年度国家自然科学奖一等奖。

团队正式在国际上首次提出并系统发展单原子催化这一原创科学概念，用化学最小的尺度研究和理解催化反应的机理和本质，而不是像过去一样在“黑匣子炒菜”。这也是催化科学百余年发展史上为数不多由中国科学家提出并获得国际广泛认可的重要概念之一。

“过去，我和我的合作伙伴有幸站在前人肩膀上提出了‘单原子催化’的新概念。未来，我希望有更多的年轻科学家能站在我们的肩膀上，推动催化科学和化学的进一步发展。”张涛说。

单原子催化示意图。大连化物所供图

一支“濒临解散”的团队

1995年，在大连化物所完成研究生学业并留所工作的张涛，接到一纸任命——正式担任课题组组长。

彼时，课题组正陷入“青黄不接”的窘境，研究组现有的科研任务量不足以支撑课题组的稳定运转。更糟糕的是，团队出现了人才断层——老专家快到退休年龄，新的技术骨干尚未成熟。整个课题组一度陷入“风雨飘摇”的边缘，甚至面临被解散的危机。

危急关头，张涛的导师、林励吾院士向所领导建议：“要不让年轻人试试？没准还能把课题组救活。”

刚刚32岁的张涛被任命为课题组组长，扛起了重任。为了维持课题组的运转，张涛带领团队一边坚守国家急需的尖端领域的技术阵地，一边利用金属催化方面的技术优势开发民用催化剂走向市场，以此来寻求更多发展机会。

正是这份心系国家的拳拳赤子之心，让这支年轻的队伍在逆境中迅速成长，团队逐渐走出了经费紧张的困境，有了更为充裕的科研资源。此时，张涛作出了一个关键决定——带领团队重新回到前沿的基础科学研究领域。

这一选择背后有着深刻的考量。刚进入大连化物所时，张涛在林励吾院士和臧景龄研究员带领下，从事高分散金属催化剂的研究。而2000年前后，纳米催化正成为国际学术界的热门赛道。

当无数科研团队纷纷涌入这一热门赛道时，张涛却在思索更深层的问题：“我的根底是金属催化剂。那在纳米催化的基础上我们还能做什么？”

一个答案在他脑海中渐渐清晰：“如果把每一个原子都分开——这不就是单原子催化的雏形！”

然而，当金属分散为孤立的单原子时极易团聚。当时，既没有可靠的制备技术来获得稳定的单原子分散状态，也没有足够先进的表征设备来验证单原子结构，受限于当时的制备技术和表征水平，这个想法一度未能落地。

但是基于多年高分散金属催化剂研究领域的深厚积累，张涛还是向单原子催化研究发起了挑战。

张涛院士。大连化物所供图

摆脱“黑匣子”炒菜

2009年前后，团队利用国际先进的球差校正电子显微镜等高端表征技术，第一次拥有了在原子尺度上“看清”单个原子的能力。而在此前，他们已在无数次的失败、重来与再突破中摸索了近十年。

借助这一技术突破，团队成功制备出国际首例实用载体负载的单原子催化剂，将铂的催化活性比传统纳米催化剂提高了两倍以上，贵金属用量却下降了70%到90%。这不仅大大提高了贵金属的原子利用效率，还将多相催化研究从微纳尺度直接推进到了原子精准尺度。

2011年，团队与清华大学教授李隽、美国亚利桑那州立大学教授刘景月教授等合作，在国际上率先提出了“单原子催化”新概念。

与此同时，他们不仅关注单原子催化剂的制备与性能验证，更深入开展催化反应机理的理论研究，与理论化学家紧密配合，从实验到理论形成了完整的研究闭环。

“我们通过理论计算，不仅解答了单原子催化剂为什么可以稳定，为什么可以催化，还搞清楚了它是如何来调控化学反应的。这改变了以往如同‘黑匣子炒菜’般对催化反应的理解模式。”李隽说。

这一原创概念一经提出就引发国际学术界的广泛关注，并成为了多相催化领域最活跃的研究前沿之一，全球百余个国家、数千个课题组纷纷跟进，研究内容也从最初的热催化迅速拓展至光催化与电催化，涵盖环境催化、能源转化、精细化学品合成、拟酶催化和碳资源高效利用等多个方向。

在这一概念的指引下，越来越多的科学家们开始加入这个队伍，一同向着放大应用与示范的方向前行。在“单原子催化”的指引下，国内外科学家已在氯乙烯生产、烯烃多相氢甲酰化、制药、精细化工等方面实现了工业应用。

随着人工智能技术的不断更迭，张涛对单原子催化的未来前景也有了更深的思考：“我相信，随着单原子催化与人工智能的结合，将塑造原子精准催化研究新范式，使高效催化剂的理性设计成为可能，推动全球新能源和绿色化工的发展。”

张涛（左）、杨小峰（中）、李隽（右）在讨论问题。大连化物所供图

做“顶天立地”的科研

从高分散金属催化剂到“单原子催化”，在应用研究中积累经验，同时持续跟踪催化科学的前沿进展——这种“应用反哺基础、基础引领应用”的发展模式，早已成为团队的文化基因。

回望这支团队从濒临解散到引领研究发展的历程，有一种精神贯穿始终——“以国家需求为己任”。这是团队在数十年奋斗中凝练出的共同信念。无论是面对实验室里的无数次失败，还是国家任务中的重大挑战，这群人始终团结一致，用扎实的研究成果回应社会对科技创新的期待。

“科学研究、科技进步发展，一个是好奇心的驱动，你会不断地去探知为什么，这个时候你会不断地思考，去研究它最深最本真的奥秘；另外一种驱动，就是国家的需求，或者是人类更大的需求为牵引。国家需要什么，那你就要把它做出来。”张涛说。

在培养年轻科研人才方面，张涛也倾注了大量心血。他把面向学生的指导视为“另一种形式的团队建设”——因为每一个年轻科研人员的成长，都会为团队注入新的活力。

早在张涛担任课题组组长之初，张涛就展现出他的人才培养思路——“压担子、给机会”。2000年，他一下子挑选了三位刚毕业的博士进入团队。尽管他们所学专业与研究方向并不完全契合，但这些年轻人在团队中的成长速度“快得惊人”。做独立项目的负责人，得到不同专业技术机构的支持……一群年轻人完成了从校门到科研一线的快速转变。

乔波涛作为张涛的学生，对此深有感触：“张老师给了我非常大的自由度，让我能够完全自主地去探索自己认为最有价值的前沿问题。但是另一方面，张老师对我们的要求也非常高，正是在这种既有压力又有空间的氛围中，我迅速成长起来。”

“回顾前辈们创业的艰难、创新的喜悦和奉献的光荣，我们不仅为他们的成就感到自豪，更感到肩负着接续奋斗的责任。”张涛勉励青年学生和科研骨干，要志存高远，以国家需求为导向，踏踏实实做“顶天立地”的科研。

如今，单原子催化领域方兴未艾。张涛也为团队定下了清晰的目标：“一要‘上货架’，变成商品；二要‘上书架’，写入教科书。”从“把成果写在祖国大地上”到“把中国原创概念写进世界教科书”，这支曾经濒临解散的团队，用数十年的坚守与突围，走出了一条“逆袭”之路。