8月16日，中国科学院院士、清华大学教授李亚栋因在单原子催化领域做出的卓越贡献而获得2024年未来科学大奖之物质科学奖。获奖后，李亚栋院士接受了《中国化工报》记者的采访。
催化是化工产业的核心技术，深刻影响着人类社会与现代科学的发展，诺贝尔奖曾先后8次颁发给催化领域。李亚栋院士表示，催化的概念是在19世纪提出的，催化剂是在20世纪实现了大规模应用，并开始造福人类。合成氨催化剂产生了化肥，齐格勒-纳塔催化剂带来了塑料。当前，在石油化工和煤化工等产业中，催化过程也扮演着关键角色。
催化的种类有很多，包括多相催化、均相催化等，其中约90%的催化过程属于多相催化。“我现在所研究的单原子催化，亦称为单原子位点催化，就是指发生催化的活性位点落在一个原子上面，是一种单中心的催化过程，目前主要针对的是多相催化中的纳米颗粒催化剂，旨在大幅提高金属原子的利用效率。”李亚栋院士介绍说，当然，这种单中心的催化现象也存在于均相催化中，被称为单分子催化。这种催化方式目前尚未被广泛认知。
与传统的纳米催化剂相比，单原子催化剂具有更高的原子利用率和活性。“如果把活性位点比作椅子，传统的纳米催化类似于许多人坐在一排椅子上发生反应，而单原子催化则是每个椅子上仅允许一个分子或官能团吸附并发生反应。”李亚栋院士给予了单原子催化过程的图像化解释，单原子催化是一种更精细地控制化学反应的手段，理论上可实现100%的原子利用率，大幅提高反应产物的得率和选择性。
“其实我开始并不关注单原子催化，一直是在做纳米催化相关领域的研究。”李亚栋院士坦言，“但在进行纳米金催化剂的研究过程中，我却发现了单原子催化剂的存在。那是在一次实验中，原本均匀的纳米金颗粒在反应后出现了团聚现象，这些颗粒在烧瓶内壁上形成了单原子状态，并表现出催化活性。”缘于这一次偶然的发现，李亚栋院士于2015年开始进入单原子催化剂的研究领域。
单原子催化剂的概念已经提出多年，但一直未有系统性的进步和发展，关键问题就是在于缺乏简易可行的催化剂合成方法。在随后的近十年研究中，李亚栋院士基于过去数十年积累的纳米材料合成经验，带领着团队系统性地开发了可设计、可控且具有普适性的单原子催化剂的合成方法。这一方法促成了具有高载量中心金属和均一微观结构的单原子催化剂的大规模合成，团队也借助该方法开发以单原子催化剂为主体的工具箱。在成千上万次的实验后，他们几乎将元素周期表中所有的重要催化元素都转化为了单原子催化剂。目前，这个工具箱已经基本完善，包含着数百种的单原子催化剂。
“如果说在实验时发现单原子催化剂并进行实验验证，是我们在单原子催化领域迈出的第一步，那么开发合成方法、打造工具箱就是我们走出的第二步。现在，我们正在进行第三步，实现单原子催化剂的大规模工业化应用。”李亚栋院士表示。
正如李亚栋院士所言，单原子催化剂在实验室阶段就已经展现出优异的性能，单原子催化的中、早期阶段已基本完成。与工业界携手合作，推动催化剂的工业化应用成为当务之急。“我们的中药铺建好了，现在到了可以根据疾病的不同症状对症下药、开处方治疗的阶段了。”他幽默地说道。
李亚栋院士举例说明：“比如现在燃油车用到的尾气净化剂，基本是纳米催化剂，如果采用单原子催化技术，能够显著降低使用成本，还可以更有效地减少污染物的排放。”
那么，现在单原子催化距离大规模工业化还有多远呢?“可以这么说，单原子催化工业化的序幕已经拉开。上面我们提到的汽车尾气催化剂，还有润滑油氢化催化剂的中试都正在进行，顺利的话，今年年底就可能进行成果鉴定，进一步建立规模化的示范装置。乐观估计在未来两到三年，单原子催化在相关领域就会实现大规模的工业化。”
“但我们也要清醒地认识到，尽管单原子催化剂的研究取得了显著进展，但仍面临一些技术挑战，包括催化剂的稳定性、规模化生产以及成本效益等。”李亚栋院士表示。
在采访的最后，李亚栋院士对记者说：“单原子催化的发现与合成制备，让我们有信心或有希望去挑战人类在物质科学上的极限，努力实现原子级精准制造。只要单原子催化技术工业化示范成功，人类就有可能从微纳时代进入单原子单分子的新时代。我们希望这项技术能够造福人类，给学界、产业界带来新的福音。”
