他想让“单原子催化”上货架也上书架

张涛在2024未来科学大奖颁奖现场。

■本报记者 孙丹宁

因提出“单原子催化”这一概念，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）研究员张涛荣获2024未来科学大奖“物质科学奖”。

“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’，我觉得提出这个概念是十分必要的。”张涛说，“提出一个新的概念需要能力和机遇并存。大家几十年努力的汗水，才浇灌出‘单原子催化’这一中国人原创的科学概念。”

翻过山丘，就能听到新的故事

1963年，张涛出生于陕西省安康市一个群山环绕的农村。年幼的他时常幻想，山的那边是什么样的，“我想走出大山，去看看大海”。

1978年3月，时任中国科学院院长郭沫若在全国科学大会闭幕式上发表题为《科学的春天》的讲话。当时，不满15岁的张涛热血沸腾：“在那个激情燃烧的年代，‘学好数理化，走遍天下都不怕’是我们的奋斗口号，许多青年都立志要用科学振兴国家，我也决心要当一名科学家。”

在社会渴求“早出人才、快出人才”的背景下，政策允许从高一年级挑选2%的优秀学生提前参加高考。张涛所在的安康中学挑选了11名成绩优异的高一学生，张涛位列其中。热爱数学的他报考了数学相关专业，由于没学过高二以上课程，他最终被调剂到陕西理工大学化学系。

刚刚接触化学，张涛就被其中的奥秘所吸引，并逐渐爱上了这门神秘的学科。

然而，当时地方高校的科研实力较为薄弱，买不起相应的实验设备。这让早早就立志成为科学家的张涛有点“蒙”：“没有实验经历怎么办？”

第一次考研以失败告终。1982年，张涛被分配到母校安康中学任教，但他从没放弃过继续深造的念头。“长期在陕南的秦岭和巴山学习与生活，使我对大山外面的世界充满渴望，特别是大海。所以在选择读研究生的单位时，我有两个关键坐标，一是在海边，二是选中国最好的研究所。”张涛说。

1983年，张涛如愿来到美丽的海滨城市大连，考入大连化物所，攻读硕士和博士研究生。“这是我人生中最重要也是最正确的选择之一。”张涛说。

三十年磨一剑，提出国际原创概念

大连化物所作为中国催化研究领域的殿堂，和张涛梦想的一样。在这里，“英雄不问出处”，只要有真本事，就可以安心从事科研工作。

“我遇到了导师林励吾院士和臧景龄研究员，他们把我引入催化化学的研究领域。”张涛说。刚到大连化物所时，他就跟随导师开展高分散金属催化剂的研究，这也是单原子催化剂的雏形。

1995年，大连化物所内航天催化剂方向“风雨飘摇”，面临青黄不接的难题。“所里领导说‘要不让年轻人试试’。”32岁的张涛被任命为课题组组长。

随后，张涛开始负责航天催化剂的研制工作，他领导发明的肼水燃料分解催化剂成功应用于国家任务，并开拓了推进剂催化分解技术在我国航空领域的应用。他还完成了宇宙飞船生命保障系统中的拟人耗氧材料及组件的研制，并在“神舟”系列上得到应用。同时，他研制的高效脱氧剂广泛应用于石化等领域。

张涛把课题组做大做强的同时，开始思考新的规划。在“以国家需求为己任”思想的引领下，单原子催化的想法进入了他的脑海。

在很多情况下，化学反应发生的条件比较苛刻，例如在常温下，氢气和氧气混合不会自发发生化学反应生成水，但如果加入贵金属铂，就能使其在常温下反应。铂这类可以改变化学反应条件的物质叫作催化剂，所以“催化剂”也被称为化学工业的“发动机”。然而贵金属价格昂贵、原子利用率低等问题阻碍了金属催化剂的发展。

“科学解决这一问题的关键，在于如何让喜欢团聚在一起的原子们一个个乖乖排开，进而使每个原子在催化中发挥作用。”张涛说。

多年来，张涛及团队不断探索高分散金属催化剂的极限。2011年，他们在国际上首次制备了单原子催化剂并测定了其催化反应性能，并在此基础上提出“单原子催化”的原创概念。这种催化剂中所有的铂都呈单原子分散状态，不仅稳定性高，单位点催化活性更是传统纳米催化剂的数倍。单原子催化对于从原子水平理解多相催化具有重要意义，同时也为开发低成本高效贵金属工业催化剂提供了可能。

“单原子催化”概念一经提出，就引发国际单原子催化的研究热潮。张涛表示，单原子催化在很多化学领域具有良好的应用前景，如洁净能源转化、二氧化碳减排、环境污染处理、大宗化学品合成、精细化学品合成等。

立足长远，研究“上货架”也要“上书架”

从宏观的催化概念到纳米催化，再到单原子催化，张涛认为已经“迈了一大步”。而下一步，他想积极推进单原子催化剂的工业化进程。

“对于我们做科学研究的人来说，主要有两方面追求。一个是要‘上货架’，研发的东西要能够变成产品，所以我希望把单原子催化这个概念推向广泛的工业化应用，实现真正的成果转化。另一个追求是要‘上书架’，未来单原子催化概念可能会与人工智能结合，实现催化剂的理性设计和精准制备，形成系统的单原子催化理论。如果这个理论能够走进教科书，就更能体现理论的普适性和重要性，也能展现我国科学家对世界科学的贡献。”张涛说。

除了在科研上的贡献，张涛还经常回到家乡安康给中学生作科普报告，分享他在科研道路上不断学习、不断前进，最终取得成就的经验和体会。

张涛非常赞同“科学无国界，科学家有祖国”的观点。他认为，年轻人有自己的兴趣和追求特别正常，但要尽可能为社会作贡献，为国家发展作贡献。他希望更多年轻人在未来的科学世界里创造奇迹。