2025年中國分析測試科學獎二等獎：單原子/納米催化材料的原位表征分析方法與應用
完成單位：北京市科學技術研究院分析測試研究所（北京市理化分析測試中心），清華大學，香港城市大學
完成人：劉向文，王定勝，江靜靜，張澤棟，楊嘉睿，魏曉曉，晁婷婷
成果簡介：單原子/納米催化材料的精準合成與性能優(yōu)化是推動其工業(yè)化應用的重要科學問題，發(fā)展高效的單原子/納米催化材料合成技術以及理解其構效關系成為該領域的重要挑戰(zhàn)。針對上述挑戰(zhàn)，研究模式正逐步轉向先進原位表征技術與材料合成及催化的深度融合。這種“合成-表征-理論”的協(xié)同研究范式，不僅為新興催化材料的理性設計提供了可靠的實驗支撐，更推動了催化材料從經(jīng)驗研發(fā)向精準合成的轉變。
申請人圍繞單原子/納米催化材料的形成機制以及構效關系開展了系列原位表征和分析工作：發(fā)展了單原子/納米催化材料在合成過程中的原位表征分析方法；設計并開發(fā)了基于光譜學的單原子/納米催化材料在催化過程中的原位評測系統(tǒng)；建立了單原子/納米催化材料在催化過程中構效關系的原位表征方法；實現(xiàn)了單原子/納米催化材料在催化作用中的實時原位分析檢測，為深入理解單原子/納米催化材料的催化機理以及合成更優(yōu)催化劑材料提供了新的方法和思路。
相關成果發(fā)表在PNAS、Nat.Commun、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Nano Lett.等高水平期刊，10篇代表作他引650余次，相關論文他引總數(shù)超過2600次。制定國家標準1項，授權發(fā)明專利2件。本項目成功支撐神舟-19號“地外人工光合作用空間站技術實驗項目”，并服務多家企業(yè)與科研院所，實現(xiàn)應用轉化超190萬元。
創(chuàng)新點及科學價值：①從單原子/納米催化材料的合成出發(fā)，采用原位表征技術研究其形成機制，對于后續(xù)相關材料的理性設計提供了實驗支撐和研究思路，有利于從源頭上去了解單原子/納米催化材料的構效關系。②催化過程通常表現(xiàn)為及其復雜的微觀結構變化，本成果開發(fā)多種原位分析手段的聯(lián)用技術，從不同角度去理解催化反應的真實過程，最大程度避免了“盲人摸象”式的研究結果，所得到的催化材料構效關系更為準確。③針對于單原子催化材料，開發(fā)出系列針對單原子材料獨有的原位表征分析方法與技術，通過多種原位分析技術的綜合利用，成功應用于原子級分散催化樣品的研制，為其在進一步的工業(yè)化應用上提供了可靠的技術支撐。
社會經(jīng)濟效益：本項目成功支撐神舟-19號“地外人工光合作用空間站技術實驗項目”，并服務多家企業(yè)與科研院所，為空間技術研究院、北京單原子催化技術有限公司、中國電力科學研究院有限公司，中國科學院化學研究所，中國中醫(yī)科學院西苑醫(yī)院等多家企業(yè)和科研院所提供技術支持，簽訂技術服務合同總計金額超190萬元。
應用前景：為解析催化劑的構效關系，催化劑失活原因，研究催化機制，優(yōu)化單原子/納米材料催化劑的合成方法等提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。為高效、穩(wěn)定催化劑的開發(fā)提供了堅實的理論指導。為進一步推動催化劑在材料、化學、能源等領域的應用創(chuàng)造了新的機遇。
