《Nature》+1 ！南科大王陽剛團隊與合作者揭示催化中氧溢流的隱秘通道

南方科技大學化學系副教授王陽剛團隊與中國科學院大連化學物理研究所張濤院士團隊合作，首次在原子尺度上揭示了金屬/載體界面控制的體相氧溢流現象，明確了該現象在多相催化反應中的重要作用，提出了金屬-載體的“表面-界面-體相”協同催化的新機制。相關成果以“ Imaging interface-controlled bulk oxygen spillover”為題發表于國際學術期刊《自然》Nature。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10324-x

相關研究在《Nature》上發表

在催化反應中，“溢流”現象指活性物種在金屬與載體之間的遷移過程，該過程對于氫和氧的相關反應至關重要。長期以來，科研界對催化劑表面的溢流行為已有深入認識，但關于負載型金屬催化劑的體相是否存在類似的溢流過程，以及其如何影響催化反應仍是未解之謎。

研究團隊利用原位環境透射電子顯微鏡，在Ru/TiO?模型催化劑上成功實現了對氧溢流過程的實時追蹤。令人意外的是，氧并未沿著催化劑表面遷移，而是從金紅石型TiO?載體表層下方數層原子深處，通過金屬與氧化物之間的“埋藏界面”直接輸運到負載的釕顆粒上。實驗表明，在氧化過程中，TiO?晶格在界面下方發生可逆壓縮，形成瞬時的原子通道，這種結構上的“自適應”能力對氧溢流至關重要。

研究人員通過理論計算工作揭示了這一過程的驅動原理。氧在化學勢驅動下，從氣相進入TiO?晶格，隨后經由體相經過界面輸運至Ru顆粒。計算表明，在Ru/TiO?界面處，氧化學勢在氧空位和界面區域呈現較低值，像“低洼地帶”一樣吸引氧優先進入這些位置。基于此，研究團隊提出了一種“空位介導”的氧輸運機制，即氧空位從界面遷移至TiO?表面，促進氧氣活化，同時表面新空位不斷生成并被補充，形成一個自我維持的氧溢流循環。

這種氧溢流機制在一氧化碳氧化和一氧化二氮分解反應中得到實驗驗證，并在Ru/SnO?和Ir/TiO?等催化劑體系中也觀察到類似現象，表明該機制在具有良好界面匹配的負載型金屬催化劑中具有一定普適性。這一發現刷新了對溢流機制的傳統認知，揭示了金屬–載體界面在催化過程中不僅是被動的錨定位點，更能夠主動參與活性物種的輸運，為高效催化劑的設計提供了全新思路。

中國科學院大連化學物理研究所博士研究生王瑋玨、南方科技大學2025級博士研究生許泓斌為論文共同第一作者。王陽剛與中國科學院大連化學物理研究所張濤院士、黃延強研究員、劉偉研究員為論文共同通訊作者。南科大為論文的共同通訊單位。該項目獲得了國家自然科學基金和國家重點研發計劃等項目資助以及南方科技大學計算中心的支持。

本文來自“南方科技大學”。

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