催化科學(xué)的起源可以追溯到18 世紀末和19 世紀初。當時，科學(xué)家注意到某些物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中可以加快反應(yīng)速率，而自身不發(fā)生永久變化。這種現(xiàn)象最早由英國化學(xué)家Elizabeth Fulhame 在1794 年研究中提及，她觀察到煤炭和木炭等物質(zhì)潮濕時會燃燒得更好，一些物質(zhì)能促進反應(yīng)進行。1835 年，瑞典化學(xué)家J?ns Jakob Berzelius首次提出了“催化”的概念，用來描述這種現(xiàn)象。他的研究表明，催化劑能夠在反應(yīng)中加快化學(xué)反應(yīng)速率，而在反應(yīng)后保持不變。Berzelius 的工作奠定了催化科學(xué)的基礎(chǔ)。隨后，德國化學(xué)家Wilhelm Ostwald 進一步研究并定義了催化劑的作用，強調(diào)了催化劑在化學(xué)反應(yīng)中的重要性，并因此獲得1909 年的諾貝爾化學(xué)獎。至此，催化科學(xué)開始興起并逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。20 世紀中期，石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展促進了催化技術(shù)的成熟。催化裂化和重整工藝的發(fā)展以及鉑族金屬催化劑的廣泛應(yīng)用，使催化反應(yīng)在石油精煉中變得更加高效，同時具有更專一的選擇性。分子篩和沸石催化劑也在此時期得到廣泛應(yīng)用，進一步提升了催化反應(yīng)的性能。
▲ 單原子催化劑的歷史發(fā)展
20 世紀末至今，催化科學(xué)進入了多樣化和精細化發(fā)展的階段。在均相催化、非均相催化、生物催化或酶催化等領(lǐng)域均取得了重要進展。從早期簡單的金屬催化劑到現(xiàn)代復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)催化劑，催化技術(shù)的進步不僅推動了化學(xué)工業(yè)的變革，也在環(huán)境保護、能源轉(zhuǎn)化和新材料開發(fā)等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在這一進程中，單原子催化劑作為一種新興的催化材料，正引領(lǐng)著催化科學(xué)和技術(shù)的前沿，展現(xiàn)出巨大的潛力和應(yīng)用前景。單原子催化劑是指通過精確控制，使催化劑活性中心以單個原子的形式分散在載體表面或其他結(jié)構(gòu)中的催化劑。這種催化劑具備尺度低維和粒子呈單原子級分散的結(jié)構(gòu)特點，使其兼具均相催化劑的高選擇性和非均相催化劑的高穩(wěn)定性，提供了獨特的催化性能。自從單原子催化劑的概念首次被提出以來，其迅速成為化學(xué)、材料科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。近年來，隨著技術(shù)進步，多種制備方法如化學(xué)氣相沉積法、原子層沉積法等相繼被開發(fā)，進一步促進了單原子催化劑的研究和應(yīng)用。此外，先進的表征技術(shù)如高分辨透射電子顯微鏡、X 射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜等的廣泛應(yīng)用，幫助揭示了單原子催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和催化機制，使高活性單原子催化劑的精準設(shè)計成為可能。
單原子催化劑在實現(xiàn)碳中和目標中發(fā)揮關(guān)鍵作用，尤其在降低碳排放、促進清潔能源轉(zhuǎn)換及提升化學(xué)反應(yīng)效率和選擇性方面表現(xiàn)出色。通過其原子級精細控制和高效的催化性能，能夠優(yōu)化能源密集型工藝，減少不必要的能耗和碳排放。單原子催化材料的研發(fā)不僅對化學(xué)和能源行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型至關(guān)重要，也對推動全球環(huán)境政策和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標具有重要影響。
中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院孫源淼研究員團隊在催化領(lǐng)域深入研究近十年，對于單原子催化體系具有較為系統(tǒng)的認識。《單原子催化材料》基于國際上近年來單原子催化材料領(lǐng)域的研究成果，致力于呈現(xiàn)該領(lǐng)域的全球最新發(fā)展動態(tài)。
《單原子催化材料》
孫源淼著
北京 : 科學(xué)出版社, 2025. 3
(低維材料與器件叢書 / 成會明總主編)
ISBN 978-7-03-081308-4
本書為“低維材料與器件叢書”之一。作者全面而深入地介紹了單原子催化材料的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用，并對國內(nèi)外研究進展進行了梳理和總結(jié)。全書共10章。
第1～2章介紹了催化與單原子催化劑的基礎(chǔ)概念，并從電子與光電子角度分析了單原子催化材料的結(jié)構(gòu)特點；
第3～4章介紹了單原子催化材料的制備方法與表征技術(shù)，既囊括了主流且成熟的合成方法，又簡要介紹了新興且富有潛力的制備技術(shù)；
第5～8章介紹了單原子催化材料在熱催化、電催化、光催化和儲能電池領(lǐng)域中的熱門應(yīng)用，同時總結(jié)了單原子催化材料在這些應(yīng)用領(lǐng)域中的優(yōu)勢、現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)；
第9章系統(tǒng)梳理了單原子催化材料的理論設(shè)計；
第 10 章介紹了單原子催化材料在尖端應(yīng)用領(lǐng)域取得巨大的成就，并對未來發(fā)展方向進行了前瞻性展望。
通過對單原子催化劑科學(xué)的全面探討，希望為讀者提供一個清晰的、前沿的知識體系，幫助科研人員、工程師和學(xué)生深入理解和掌握這一新興領(lǐng)域。
本文摘編自《單原子催化材料》（孫源淼著. 北京 : 科學(xué)出版社, 2025. 3）一書“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。
(低維材料與器件叢書 / 成會明總主編)
ISBN 978-7-03-081308-4
責(zé)任編輯：翁靖一 智旭蕾
本書可供從事單原子催化材料的科研工作者、各大院校相關(guān)專業(yè)師生以及企業(yè)專業(yè)技術(shù)人員作為學(xué)習(xí)參考和入門指導(dǎo)。
（本文編輯：劉四旦）
一起閱讀科學(xué)!
科學(xué)出版社│微信ID：sciencepress-cspm
專業(yè)品質(zhì) 學(xué)術(shù)價值
原創(chuàng)好讀 科學(xué)品位
科學(xué)出版社視頻號
硬核有料 視聽科學(xué)
熱門跟貼