中国科学院深圳先进院孙源淼研究员团队：单原子催化材料

催化科学的起源可以追溯到18 世纪末和19 世纪初。当时，科学家注意到某些物质在化学反应中可以加快反应速率，而自身不发生永久变化。这种现象最早由英国化学家Elizabeth Fulhame 在1794 年研究中提及，她观察到煤炭和木炭等物质潮湿时会燃烧得更好，一些物质能促进反应进行。1835 年，瑞典化学家Jöns Jakob Berzelius首次提出了“催化”的概念，用来描述这种现象。他的研究表明，催化剂能够在反应中加快化学反应速率，而在反应后保持不变。Berzelius 的工作奠定了催化科学的基础。随后，德国化学家Wilhelm Ostwald 进一步研究并定义了催化剂的作用，强调了催化剂在化学反应中的重要性，并因此获得1909 年的诺贝尔化学奖。至此，催化科学开始兴起并逐渐应用于工业生产中。20 世纪中期，石油化学工业的发展促进了催化技术的成熟。催化裂化和重整工艺的发展以及铂族金属催化剂的广泛应用，使催化反应在石油精炼中变得更加高效，同时具有更专一的选择性。分子筛和沸石催化剂也在此时期得到广泛应用，进一步提升了催化反应的性能。

▲ 单原子催化剂的历史发展

20 世纪末至今，催化科学进入了多样化和精细化发展的阶段。在均相催化、非均相催化、生物催化或酶催化等领域均取得了重要进展。从早期简单的金属催化剂到现代复杂的纳米结构催化剂，催化技术的进步不仅推动了化学工业的变革，也在环境保护、能源转化和新材料开发等方面发挥了关键作用。在这一进程中，单原子催化剂作为一种新兴的催化材料，正引领着催化科学和技术的前沿，展现出巨大的潜力和应用前景。单原子催化剂是指通过精确控制，使催化剂活性中心以单个原子的形式分散在载体表面或其他结构中的催化剂。这种催化剂具备尺度低维和粒子呈单原子级分散的结构特点，使其兼具均相催化剂的高选择性和非均相催化剂的高稳定性，提供了独特的催化性能。自从单原子催化剂的概念首次被提出以来，其迅速成为化学、材料科学和纳米技术领域的研究热点。近年来，随着技术进步，多种制备方法如化学气相沉积法、原子层沉积法等相继被开发，进一步促进了单原子催化剂的研究和应用。此外，先进的表征技术如高分辨透射电子显微镜、X 射线吸收精细结构谱等的广泛应用，帮助揭示了单原子催化剂的微观结构和催化机制，使高活性单原子催化剂的精准设计成为可能。

单原子催化剂在实现碳中和目标中发挥关键作用，尤其在降低碳排放、促进清洁能源转换及提升化学反应效率和选择性方面表现出色。通过其原子级精细控制和高效的催化性能，能够优化能源密集型工艺，减少不必要的能耗和碳排放。单原子催化材料的研发不仅对化学和能源行业的绿色转型至关重要，也对推动全球环境政策和实现可持续发展目标具有重要影响。

中国科学院深圳先进技术研究院孙源淼研究员团队在催化领域深入研究近十年，对于单原子催化体系具有较为系统的认识。《单原子催化材料》基于国际上近年来单原子催化材料领域的研究成果，致力于呈现该领域的全球最新发展动态。

《单原子催化材料》

孙源淼著

北京 : 科学出版社, 2025. 3

(低维材料与器件丛书 / 成会明总主编)

ISBN 978-7-03-081308-4

本书为“低维材料与器件丛书”之一。作者全面而深入地介绍了单原子催化材料的理论基础和应用，并对国内外研究进展进行了梳理和总结。全书共10章。

第1～2章介绍了催化与单原子催化剂的基础概念，并从电子与光电子角度分析了单原子催化材料的结构特点；

第3～4章介绍了单原子催化材料的制备方法与表征技术，既囊括了主流且成熟的合成方法，又简要介绍了新兴且富有潜力的制备技术；

第5～8章介绍了单原子催化材料在热催化、电催化、光催化和储能电池领域中的热门应用，同时总结了单原子催化材料在这些应用领域中的优势、现状和挑战；

第9章系统梳理了单原子催化材料的理论设计；

第10章介绍了单原子催化材料在尖端应用领域取得巨大的成就，并对未来发展方向进行了前瞻性展望。

通过对单原子催化剂科学的全面探讨，希望为读者提供一个清晰的、前沿的知识体系，帮助科研人员、工程师和学生深入理解和掌握这一新兴领域。

本文摘编自《单原子催化材料》（孙源淼著. 北京 : 科学出版社, 2025. 3）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(低维材料与器件丛书 / 成会明总主编)

ISBN 978-7-03-081308-4

责任编辑：翁靖一 智旭蕾

（本文编辑：刘四旦）