山西
作為催化過程中的一種動態行為，溢流效應通常是指活性金屬與載體之間的物種遷移，尤其常見于涉及氫和氧的反應體系。
過去，人們已對局限于催化劑表面的溢流過程進行了大量研究；
然而，體相催化劑是否能夠通過非表面溢流參與反應，仍然缺乏清晰認識。
在此，來自中國科學院大連化學物理研究所&中國科學院大學的張濤院士、黃延強、劉偉以及南方科技大學的王陽剛等研究者作者借助原位環境透射電子顯微鏡，對Ru/TiO? 催化劑中的氧溢流過程進行了直接追蹤。相關論文以題為“Imaging interface-controlled bulk oxygen spillover”于2026年04月15日發表在Nature上。
溢流效應連接著不同活性位點之間的相互作用，調節其數量與分布，并進而影響催化性能。
既往研究表明，可還原性載體能夠提高表面溢流效率，而這一過程通常受擴散距離和遷移速率的影響。
然而，由于光譜學方法大多只能給出整體平均信息，關于單顆粒尺度下溢流微觀路徑的認識仍十分有限。
因而，迫切需要對溢流全過程開展更深入的研究，尤其是獲得原子分辨可視化證據，以便更精準地調控涉及溢流的催化反應。
TiO? 具有良好的可還原性，因此具備儲存和釋放氧的能力。
再加上其晶體結構具有多樣性，如金紅石相和銳鈦礦相等，使 TiO? 不僅成為研究氧溢流機制的理想模型載體，也是一種具有實際應用價值的支撐材料。
在本文中，作者利用環境透射電子顯微鏡（ETEM），首次在單顆粒尺度上直接可視化了 Ru/TiO? 體系中的完整氧溢流過程。
結果顯示，這一過程與傳統認知形成鮮明對比：氧物種并非主要沿暴露表面遷移，而是在 Ru/金紅石相 TiO?（Ru/r-TiO?）界面處，從 TiO? 表面以下 3–5 個原子層的體相區域向金屬 Ru 傳輸，并且這一過程由氧化學勢差驅動。
該體相氧輸運行為高度依賴于金屬—載體界面的構筑方式：它可以發生在 Ru/r-TiO? 體系中，卻在 Ru/銳鈦礦相 TiO?（Ru/a-TiO?） 體系中被嚴格抑制。
這種非經典溢流行為不僅通過 ETEM 在 CO 氧化和 N?O 分解反應中得到了直接證實，也進一步在 Ru/SnO? 和 Ir/TiO? 體系中得到了驗證。
作者采用濕化學法合成了尺寸約為 4 nm 的均一 Ru 納米顆粒（NPs）。
隨后，將具有隨機取向的晶化 Ru 納米顆粒負載到金紅石相 TiO? 載體上，并選取其中一處位于 TiO?(110) 晶面上的雙顆粒區域開展原位氧化實驗（圖 1a）。
借助高分辨環境透射電子顯微鏡（HRTEM），作者實時追蹤了 Ru/r-TiO? 的氧化過程（圖 1a–f）。
在 300 ℃ 條件下，將壓力為 10 Pa 的 O? 通入 ETEM 腔體（圖 1a）；隨后在 400 ℃ 時觀察到 Ru 納米顆粒開始發生氧化（圖 1b）。
結果發現，晶格氧并非沿傳統認知中的催化劑表面擴散路徑遷移，而是通過 Ru/TiO? 界面直接由 TiO? 載體輸運至負載的 Ru 納米顆粒。
在這一過程中，TiO? 亞表層晶格會發生可逆應變，從而為氧輸運提供通道；這一現象通過皮米級精度的原子位移追蹤得到了證實。
研究進一步表明，金屬—載體界面的結構適應性是調控氧溢流的關鍵因素：在 Ru/金紅石相 TiO? 體系中，氧溢流可以被“開啟”；而在 Ru/銳鈦礦相 TiO? 體系中，這一過程則被“關閉”。
基于實時、原子分辨的實驗證據，作者指出，這種體相氧溢流在具有界面外延特征的負載型金屬催化劑中具有普遍可行性，也進一步凸顯了通過理性設計金屬—載體界面來激活體相催化劑中的氧并使其參與反應的重要意義。
圖1 氧從r-TiO2到Ru的傳輸。
圖2 Ru/TiO2中大塊氧輸運的界面靈敏度。
圖3 基于密度泛函理論計算的 Ru/r-TiO? 氧化機理分析
圖4 原位高分辨透射電子顯微鏡追蹤 RuO?/r-TiO?在CO氧化過程中的晶格氧參與行為。
綜上所述，自從金屬—載體相互作用（MSI）現象被發現以來，至今已近 50 年。
在這一經典概念中，金屬顆粒在強還原條件下會被可還原氧化物載體（如 TiO?）包覆，從而導致其對 H? 和 CO 的吸附能力下降。
傳統 MSI 所描述的，本質上是金屬與載體外表面之間的物質輸運過程；通常認為，二者之間的周邊界面是促進催化反應發生的關鍵區域。
而在本研究中，作者進一步拓展了 MSI 的內涵，證明了一種獨特的體相氧溢流機制：它使得催化劑內部原本無法被反應物直接接觸的內界面，也能夠在催化反應過程中參與物質傳輸。這一發現凸顯了界面工程在調控溢流行為中的核心作用。
此外，這項代表性研究還表明，原位顯微單顆粒成像技術在揭示催化轉化反應路徑方面具有巨大的應用潛力，為深入理解復雜催化過程提供了強有力的研究手段。
參考文獻
Wang, W., Xu, H., Liu, S. et al. Imaging interface-controlled bulk oxygen spillover. Nature 652, 655–659 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10324-x
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10324-x
（來源：網絡版權屬原作者 謹致謝意）
特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺“網易號”用戶上傳并發布，本平臺僅提供信息存儲服務。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
