问题背景：

社会发展至今，人类的衣食住行均离不开化学工业，而化学工业生产中，催化过程占全部化学过程的80%以上。现代化学、石油、能源和制药工业以及环境保护领域等广泛使用催化剂生产化学品和净化环境。因此，催化科学技术对国家经济、环境和生活起着关键作用。最近十几年，纳米科学的发展更新了人们对催化剂的认识，产生了“纳米催化”的概念，由于纳米催化剂颗粒尺寸小，表面与体积比的分数大，表面原子的键态和电子态与晶体内部不同，原子配位不饱和导致催化剂表面反应活性位增加。随着纳米科学的发展，人们认识到催化剂活性组分颗粒尺寸减小所带来的尺寸效应对于催化反应具有极大地影响。催化工作者不断的努力，致力提高催化剂的性能，“单原子催化”的概念被提出， 成功制备单原子催化剂，其具有催化活性好、选择性高，原子利用率高等诸多优点。单原子催化也成为催化领域研究工作者关注的热点。经过几年的发展，催化工作者从理论以及实验中发现单原子催化剂不同于纳米和亚纳米催化剂。当粒子分散度达到原子尺寸时能够引起诸如表面自由能、量子尺寸效应、不饱和配位环境和金属-载体相互作用等性质发生急剧变，单原子催化剂的优势被凸显的淋漓尽致。

众所周知，传统催化过程的催化机理现已被深入研究，形成基本完善的而理论体系。催化反应过程包括以下步骤（简单描述）：外扩散、内扩散、吸附、脱附、反应、内扩散、外扩散。例如，一个催化反应的发生，需要多个活性中心原子协同发挥作用，而单原子催化剂的活性位点只有一个活性原子，而且每个活性原子之间的距离很远（围观尺度），无法完成协作。

单原子催化剂的优势显著，然而催化机理没有还系统的解释，传统催化剂的催化机理能否解释单原子催化剂催化反应值得每位催化工作者思考、研究。

关键突破点：

本问题的最新进展：本问题截止目前没有一套完整而普适性的理论体系，一些催化研究工作者用过理论计算和实验结果尝试解释某些特定反应的机理，该理论仅适用于某个或某一类反应，没有普适性。例如，河南师范大学的王冉等通过对其几何、电子结构性质和催化反应特性的系统分析。结果表明：CO在单个Pd原子掺杂的石墨烯上的氧化更倾向于三分子Eley-Rideal（Trimolecular Eley-Rideal,TER）机制,其限速步势垒仅为0.29 eV；大连理工大学的杨洋等采用第一原理方法研究了石墨烯单重空位稳定的Au原子上乙烯氧化的过程。结果表明，Au原子和石墨烯空缺位之间的相互作用不仅能抑制Au原子扩散,而且还调节Au-d轨道能级来活化吸附的O2和乙烯，促进过氧化物中间体形成和解离。

本问题的难点与挑战：单原子催化反应是微观原子尺度的反应，对该反应的研究需要借助先进的科学仪器，仪器的发展水平是该问题研究的限制条件，而且，到达原子尺度许多物资的性质会发生截然不同的变化，使单原子催化的研究难度又一次增加。另外，该问题的研究需要理论计算/模拟和实验相结合，理论指导实验，实验修正理论，一步步完善。最后，该问题的研究非个人、单个课题组或研究机构可以完成，需要该领域科研工作者齐心协力共同去完成。

战略意义：

该问题的突破进一步丰富了催化领域的而理论知识，用于指导催化反应过程，提高催化反应的效率，提高相关产品的生产效率，降低其成本，带来巨大的社会效应和经济效应，同时还可以解决某些环境问题，例如，汽车尾气净化，工业废气的净化。另外，该问题的突破可以指导催化剂的设计、研发以及制备。对催化领域以及催化相关领域有重大贡献，也许会伴随着新兴研究领域的发现。