Nature！大連化物所張濤院士團隊揭示界面控制體相氧溢流新機制

“溢流”現象指活性物種（如氫或氧）在金屬與載體之間的擴散，對催化性能至關重要。長期以來，研究者普遍認為溢流主要發生在催化劑表面，即物種沿外表面從金屬遷移到載體或反之。然而，催化劑的體相晶格是否也能參與這一過程，始終缺乏直接的原子尺度證據。這一問題的解答不僅關乎對催化機理的基礎認知，更可能為設計高效氧化催化劑開辟全新路徑。

2026年4月15日，中國科學院大連化學物理研究所劉偉、黃延強、張濤院士團隊聯合南方科技大學王陽剛教授等，在《自然》期刊上發表題為《Imaging interface-controlled bulk oxygen spillover》的研究論文。研究團隊利用原位環境透射電子顯微鏡，在原子分辨率下實時追蹤了Ru/TiO?催化劑中氧溢流的完整路徑，首次發現氧物種并非沿傳統認為的表面擴散，而是通過金屬-載體界面從TiO?的亞表層（3-5個原子層深度）直接輸運至Ru顆粒，顛覆了教科書式的表面溢流模型。

研究的關鍵證據來自對金紅石TiO?（r-TiO?）負載Ru納米顆粒的實時氧化觀測。在450°C、10 Pa O?氣氛下，RuO?相并非從顆粒表面向內生長（即經典的“收縮核”模式），而是從Ru/r-TiO?界面內部開始，沿r-TiO?(110)晶面以“自下而上”的逐層外延方式生長。通過皮米級精度的原子位移分析，團隊發現TiO?載體在氧化過程中發生了可逆的晶格壓縮：最表層四層(110)晶面間距從0.324 nm收縮至0.317 nm，氧化完成后恢復原值。這種各向異性的晶格畸變正是氧離子集體遷移留下的“結構腳印”。進一步的密度泛函理論計算表明，氧空位在r-TiO?亞表層形成和遷移的能壘僅0.7-1.5 eV，在反應溫度下易于跨越，從而構建了“表面氧空位淬滅→空位介導的體相氧輸運→Ru氧化”的三步機制。

尤為重要的是，該體相氧溢流表現出極強的界面敏感性：在外延匹配的Ru/r-TiO?體系中高效發生，而在晶格失配的Ru/銳鈦礦TiO?（a-TiO?）體系中則完全被抑制。通過高溫破壞界面外延后，氧溢流也被阻斷，證實了界面結構的關鍵調控作用。研究還展示了這一機制在真實催化反應中的優勢：在CO氧化中，RuO?/r-TiO?可利用體相氧參與Mars-van Krevelen機理，并通過調節CO/O?比例實現可逆的氧化-還原循環；在N?O分解中同樣觀察到類似的界面溢流行為。該機制在Ru/SnO?和Ir/r-TiO?等體系中亦得到驗證，具有普適性。

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