催化是化學工業的基石，在材料科學研究中具有重要意義。大約90%的化學品在生產過程中均涉及催化劑利用。例如，合成氨領域中用于Haber–Bosch工藝的鐵觸媒催化劑。高效的催化劑可以加快反應速率，快速地促進各種分子的有效轉化，這在化學、化工、能源、材料和環境科學的研究中具有重要意義。因此，高效、環保且易于操作的合成方法已被用于制備各種類型的催化劑。盡管先前的研究已經報道了上述催化劑的合成和表征，但更多的研究仍停留在試錯方法上，沒有對傳統的合成方法進行更加深入的考慮和改進，這嚴重阻礙了催化劑的高效以及批量化生產。

在此項研究工作中，我們從試錯法的角度系統性總結了不同尺寸納米材料和單原子催化劑的制備策略。此外，在構效關系和DFT理論的指導下，也探究和總結了先進的納米和原子級分散催化劑的制備案例。此外，我們還詳細介紹了各種催化劑在不同領域的催化應用，如析氫反應（HER）、析氧反應（OER）、氧還原反應（ORR）、氮還原反應（NRR）、CO2還原反應（CO2RR）、二氧化碳熱催化加氫制燃料等。也希望未來，在AI技術的輔助下，實現高效催化劑的綠色、快速、批量化制備。我們堅信，本工作將會引起科學家、工程師和工業界的廣泛興趣，對致力于開發先進催化劑，進一步滿足可持續能源的需求，為實現“碳中和”奠定理論指導和實踐基礎。

王立剛，清華大學化學系博士后，助理研究員，“水木學者”計劃入選者，合作導師為李亞棟院士和王定勝副教授。主要從事單原子、團簇以及納米材料的理性設計、可控制備及其在新能源及催化方面的研究，致力于開發高性能、長壽命、低成本的功能性結構材料，借助原位技術及DFT理論計算揭示其“構效關系”，注重其在綠色制氫等新能源領域的應用。其科研成果在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Research、Carbon Energy等國際頂級期刊上發表。

王定勝，清華大學副教授。2004年畢業于中國科技大學化學物理系獲學士學位，2009年在清華大學化學系獲博士學位。主要從事金屬納米催化方向的研究工作，目前已在Nature, Nature Nanotech., Nature Chem., Nature Catal.,Angew. Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc.等國際頂級期刊上發表多篇高水平論文。2012年獲全國優秀博士論文，2013年獲國家優秀青年基金資助, 2018年青年人才拔尖計劃等。

Wang L, Wu J, Wang S, et al. The reformation of catalyst: From a trial-and-error synthesis to rational design. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6037-8.

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