朋友们大家好！今天小界来和大家聊聊中国科学家拿下国家自然科学1等奖的话题！

2026年7月8日，北京人民大会堂，国家科学技术奖励大会现场。一项叫“单原子催化”的成果拿下国家自然科学奖一等奖。

这个奖是中国自然科学领域的最高荣誉，一等奖常年空缺，能拿到本身就是万里挑一。我翻完获奖名单和公开报道，第一反应不是震撼，是纳闷。

催化这东西初中化学课就讲过，二氧化锰催化双氧水分解，高中生都能背出“反应前后质量和化学性质不变”。一个化学概念，凭什么站到中国科研的最高领奖台上？

答案说出来你可能不信，就两个字：省。省到什么地步？传统催化剂把贵金属做成纳米颗粒，成百上千个原子挤在一个小球里，真正能干活的只有表面那层。

单原子催化直接把金属拆成一个个孤立原子，每一颗都暴露在外边，原子利用率从百分之几拉到理论上的百分之百。别人一整支队伍上班，它一个原子就是一个军团。这笔账我今天给你算到底。

催化剂行业的百年老大难，公摊面积

要理解单原子催化为什么牛，得先看传统催化剂有多浪费。现代化工里80%以上的反应要靠催化剂，其中很多核心反应用到铂、钯、铑这些贵金属。

铂现在一克几百块人民币，比黄金还贵。传统做法是把这些贵金属做成纳米颗粒，像无数个小球粘在多孔载体上。

问题在于，化学反应只发生在催化剂表面，原料分子撞上去才能反应。一颗纳米小球直径几纳米，里面包裹的原子成千上万，真正露在表面能跟原料接触的，只有最外层那一小撮。

这跟你买建筑面积一百平的房子，套内只剩二三十平是一个道理，剩下的全是电梯井、大堂、走廊。行业里管这个叫内部原子被包裹，无法提供活性位点。

我查过文献，传统负载型金属催化剂的原子利用率通常只有百分之几到百分之三十，剩下百分之七十以上的贵金属，花了大价钱买回来，埋在颗粒里面睡觉，纯粹是经费燃烧。

这个问题从纳米催化诞生那天起就存在，全球催化学家盯着这个数字想往上提。从大块金属到纳米颗粒，人类把金属越做越小，比表面积越做越大，但本质上还是在一堆原子里抠表面那点利用率。公摊刺客这个词，放在催化剂身上再合适不过。

拆到极限之后，原子变了

科学家的思路很激进，既然小球里面的原子用不上，那就直接把小球拆到不能再拆，变成一个一个独立的原子钉在载体上。这个想法听起来简单，做起来是另一回事。当金属真的被分散到单个原子尺度时，两件事同时发生。

第一件事，公摊面积归零。每一个金属原子都暴露在外，理论上全部能参与反应。2011年张涛团队在《自然・化学》上发表的那篇开创性论文里，铂的负载量只有0.17%，比传统催化剂低了一两个数量级，但活性反而更高。

后来氢燃料电池方向的单原子铂催化剂，铂用量做到了0.13克每千瓦，而传统车用铂催化剂大概在0。3到0。5克每千瓦这个区间。

美国能源部的数据显示，铂族金属催化剂占到燃料电池电堆成本的55%。这意味着什么？铂用量砍掉一半，电堆成本直接往下掉一大截，氢燃料电池车太贵这个死结，有了松动的可能。

第二件事才是拿大奖的真正理由，也是我认为最反直觉的一点：单个原子的化学性质，跟它在金属颗粒里完全不一样。

一颗铂原子待在成千上万同伴中间，周围全是铂，金属键拉着，电子云是离域的。当它被单独钉在氧化物或氮掺杂碳载体上，邻居全换成了氧原子或氮原子，配位环境整个变了，电子云结构重排，能量状态也跟着变。

这就好比一个人在嘈杂的公司大办公室里和在一间安静的独立工作室里，做事效率和思路完全不同，学术上这叫活性位结构均一、配位环境可精准调控。带来的直接好处是选择性极高，原料只能按一种固定方式反应，你要什么产物就出什么产物，副产物大幅减少。

传统纳米颗粒表面凹凸不平，边、角、平台各种位点都有，反应路径五花八门，你要A它顺便给你B、C、D、E一堆副产物，后期分离提纯又是一大笔钱。单原子催化剂把这个问题从根上压下去了。

更妙的是，它同时拿到了均相催化和多相催化两边的好处。均相催化剂活性高、选择性好，但跟产物混在一起不好分离回收；多相催化剂是固体，好回收但活性位点不均一。

单原子催化剂活性位点单一像均相，本身又是固体颗粒方便回收，等于把两大学派吵了几十年的架给和了。

一个原子为什么比一支部队难管

听到这你肯定会问，既然这么好，为什么2011年才被提出来，2026年才拿国家自然科学一等奖？因为这个东西在热力学上天生不稳定。

金属原子是天生爱抱团的，你把它孤立开，它觉得不稳定，温度一高就像磁铁一样互相吸附，重新聚成纳米颗粒。学术上叫奥斯特瓦尔德熟化，通俗讲就是大颗粒越长越大，小颗粒消失。要让单个原子在几百摄氏度的反应温度下不抱团，光有想法不够，得有办法把它死死摁住。

张涛团队的办法是在载体上做文章。要么在氧化物表面制造缺陷位，缺陷就像一个个坑，铂原子掉进去就爬不出来；要么在碳材料里掺入氮原子，氮原子带孤对电子，像抓手一样把铂原子牢牢锚定。

2009年他们第一次做出了实用载体负载的Pt₁/FeOₓ单原子催化剂，2011年正式在《自然・化学》提出“单原子催化”这个概念。这篇论文后来入选《自然・化学》创刊百期十大高引原始论文。

我专门查过国际同行的反应，概念刚提出来那几年，质疑声不小。有人说这就是高分散的极端情况，不算新东西；有人说单原子高温下肯定团聚，活不过工业反应条件。

但十年过去，全球顶刊上关于单原子催化的论文已经数以万计，从铂到钯、钌、铱、镍、铁、钴，从化工催化到电催化、光催化、酶催化，整个领域被中国人原创的一个概念带火了。这在百年催化史上是头一回，一个新概念由中国科学家命名、定义、并引领全球研究方向。

四十三年冷板凳，和它要撬动的产业

很多人以为这是一夜之间的灵感爆发，我翻完公开报道，发现这条线拉了四十三年。1983年，张涛考入中科院大连化学物理研究所读研，导师是林励吾院士和臧璟龄研究员，两位把他领进催化的门，从那时起他就开始做高分散金属催化剂。这就是单原子催化的雏形。

中间不是一帆风顺。他32岁那年接过一个差点解散的课题组，一边扛国家航天催化剂的硬任务，一边做民用催化剂养队伍，慢慢往原子级分散这个方向逼近。

从大块金属到微米颗粒、纳米颗粒，再到单个原子，人类对物质结构的控制精度一步一步往原子级别推。2009年做出第一个实用单原子催化剂，2011年提出概念，之后十几年全球跟进，再到2026年拿国家自然科学一等奖。

四十三年，从一个研究生的方向选择，变成整个领域的研究范式。我为什么要花篇幅讲这段历史？因为基础研究这件事，外人看是领奖台上的高光，内行看是漫长到看不见尽头的摸索。

没有1983年到2009年那二十多年在载体和界面微观世界里的试错，就没有2011年那篇论文,说回现实意义。单原子催化不是实验室里的花瓶，它对准的是几个真金白银的产业痛点。

第一个是氢燃料电池。刚才算过，铂占电堆成本55%，单原子路线把铂用量往下压，再配合非贵金属单原子催化剂的探索，燃料电池车的成本曲线才有往下走的空间。

第二个是绿色制药和精细化工。传统药物合成里贵金属催化剂残留是个大问题，单原子催化剂选择性高、用量少、易分离，副产物少意味着分离成本低，三废也跟着降。

第三个是二氧化碳资源化利用，把二氧化碳催化转化成化学品或燃料，这条路线要走通，高效低成本的催化剂是命门，单原子催化正好提供了一个可设计的平台。

当然我也要说句公道话，单原子催化离大规模工业落地还有距离。高温稳定性、负载量上限、放大制备这些工程问题还在攻。

现在它更多是作为一个研究范式，让催化学家第一次能在原子层面理性设计催化剂，而不是过去那种黑盒里炒菜的试错模式。

我始终觉得，真正改变世界的基础研究，往往不是那种喊着要颠覆谁的东西，而是几十年后回头看，发现我们已经站在它铺好的路上。

那些看似遥远的理论谜题，最后都会变成你我身边更便宜的电、更干净的药、更便宜的车。用最微观的一颗原子，去解最宏大的能源和环境难题，这就是科学这件事最动人的地方。