催化科學的起源可以追溯到18 世紀末和19 世紀初。當時，科學家注意到某些物質在化學反應中可以加快反應速率，而自身不發生永久變化。這種現象最早由英國化學家Elizabeth Fulhame 在1794 年研究中提及，她觀察到煤炭和木炭等物質潮濕時會燃燒得更好，一些物質能促進反應進行。1835 年，瑞典化學家J?ns Jakob Berzelius首次提出了“催化”的概念，用來描述這種現象。他的研究表明，催化劑能夠在反應中加快化學反應速率，而在反應后保持不變。Berzelius 的工作奠定了催化科學的基礎。隨后，德國化學家Wilhelm Ostwald 進一步研究并定義了催化劑的作用，強調了催化劑在化學反應中的重要性，并因此獲得1909 年的諾貝爾化學獎。至此，催化科學開始興起并逐漸應用于工業生產中。20 世紀中期，石油化學工業的發展促進了催化技術的成熟。催化裂化和重整工藝的發展以及鉑族金屬催化劑的廣泛應用，使催化反應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用，進一步提升了催化反應的性能。

▲ 單原子催化劑的歷史發展

20 世紀末至今，催化科學進入了多樣化和精細化發展的階段。在均相催化、非均相催化、生物催化或酶催化等領域均取得了重要進展。從早期簡單的金屬催化劑到現代復雜的納米結構催化劑，催化技術的進步不僅推動了化學工業的變革，也在環境保護、能源轉化和新材料開發等方面發揮了關鍵作用。在這一進程中，單原子催化劑作為一種新興的催化材料，正引領著催化科學和技術的前沿，展現出巨大的潛力和應用前景。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構中的催化劑。這種催化劑具備尺度低維和粒子呈單原子級分散的結構特點，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、材料科學和納米技術領域的研究熱點。近年來，隨著技術進步，多種制備方法如化學氣相沉積法、原子層沉積法等相繼被開發，進一步促進了單原子催化劑的研究和應用。此外，先進的表征技術如高分辨透射電子顯微鏡、X 射線吸收精細結構譜等的廣泛應用，幫助揭示了單原子催化劑的微觀結構和催化機制，使高活性單原子催化劑的精準設計成為可能。

單原子催化劑在實現碳中和目標中發揮關鍵作用，尤其在降低碳排放、促進清潔能源轉換及提升化學反應效率和選擇性方面表現出色。通過其原子級精細控制和高效的催化性能，能夠優化能源密集型工藝，減少不必要的能耗和碳排放。單原子催化材料的研發不僅對化學和能源行業的綠色轉型至關重要，也對推動全球環境政策和實現可持續發展目標具有重要影響。

中國科學院深圳先進技術研究院孫源淼研究員團隊在催化領域深入研究近十年，對于單原子催化體系具有較為系統的認識。《單原子催化材料》基于國際上近年來單原子催化材料領域的研究成果，致力于呈現該領域的全球最新發展動態。

《單原子催化材料》

孫源淼著

北京 : 科學出版社, 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和應用，并對國內外研究進展進行了梳理和總結。全書共10章。

• 第1～2章介紹了催化與單原子催化劑的基礎概念，并從電子與光電子角度分析了單原子催化材料的結構特點；

• 第3～4章介紹了單原子催化材料的制備方法與表征技術，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；

• 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域中的熱門應用，同時總結了單原子催化材料在這些應用領域中的優勢、現狀和挑戰；

• 第9章系統梳理了單原子催化材料的理論設計；

• 第 10 章介紹了單原子催化材料在尖端應用領域取得巨大的成就，并對未來發展方向進行了前瞻性展望。

通過對單原子催化劑科學的全面探討，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、工程師和學生深入理解和掌握這一新興領域。

本文摘編自《單原子催化材料》（孫源淼著. 北京 : 科學出版社, 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、各大院校相關專業師生以及企業專業技術人員作為學習參考和入門指導。

（本文編輯：劉四旦）

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