高分辨率单原子铂图片
负载型铂催化剂是用途最为广泛的贵金属催化剂。全球每年高达50%的铂产量都用于汽车尾气净化系统的三效转化器。此外，燃料电池电极催化剂、石油化工中的催化重整、以及各种精细化学品的合成都大量依赖于高效的负载型铂催化剂。但是铂的资源稀缺性决定了其价格昂贵，同时铂元素独特的物理化学性质又决定了其在多种催化反应中的不可替代性。因此，如何提高铂的原子利用率一直是催化剂制备科学的核心问题之一。传统的方法是将铂分散于高比表面积的载体上，但通常只能得到尺寸在1-10纳米范围内的纳米粒子。研究催化剂中纳米粒子的尺寸效应也多集中在该尺度范围内。近几年随着先进表征技术（如STEM-HAADF, XAFS）和理论计算方法的发展，极大推动了纳米催化科学的认识，一些亚纳米尺度的催化剂已经被证明具有显著不同于纳米尺度催化剂的性能。金属分散能够达到的极限是单原子分散。但在该工作之前，还没有出现真正具有实用意义的单原子催化剂。这主要是因为单原子具有很高的表面能，在反应条件下极容易与别的原子发生聚集长大。
中科院大连化物所张涛研究员领导的航天催化与新材料研究组在多年研究高分散催化剂的基础上，与该所刘景月研究员、清华大学李隽教授合作，以氧化铁为载体，利用氧化铁与铂原子之间的强相互作用，首次制备出具有实用意义的单原子铂催化剂。
“透过超高分辨扫描透射电子显微镜可以看到，我们的催化剂中所有的铂都是呈单原子分散状态。而对其进行CO的催化转化实验后发现，不仅单个铂原子是稳定的，而且催化活性是传统的纳米催化剂的2~3倍。”张涛向《科学时报》记者介绍说。
“这是科学家首次提出并证明了‘单原子催化’的概念。在该催化剂上，所有的铂都呈单原子分散状态，无任何亚纳米或纳米聚集体存在。”张涛说，“坦白讲，在鉴定单原子结构之前，我们其实也并不知道该催化剂就一定是单原子催化剂。”
从最初的催化剂设计、反复实验到最后的结构解析，整个课题组前后花费了大约三年时间，经历了很多次的失败才获得成功的。过去由于一些技术手段的限制，特别是能够明确识别单原子的超高分辨电子显微镜是近几年才开发成功的新仪器，“因此过去的高分散催化剂、特别是一些极低负载量的贵金属催化剂，也可能是单原子催化剂，只是因为技术手段的限制而在当时无法得到证明。”张涛说。
美国《化学与工程新闻》杂志与“自然—中国”网站（Nature China）对此成果也分别以“亮点”形式给予了重点报道。美国西北太平洋国家实验室的Charles H. F. Peden教授在接受美国《化学与工程新闻》记者采访时，给出如此评价：“这是一项非常及时、令人兴奋的研究工作，单个原子是否能够作为多相催化剂中的活性位是催化界曾经思考的问题，该研究给出了明确、响亮的肯定回答。”