氧溢流机制突破揭示催化剂内部新反应通道

在催化科学领域，一项颠覆传统认知的突破性发现近日问世。由中国科学院大连化学物理研究所陶贻教授、黄延强教授领衔，联合刘伟教授及南方科技大学王杨刚教授组成的科研团队，利用先进的环境透射电子显微镜技术，首次直接捕捉到了催化剂内部氧原子的动态迁移过程。这一成果不仅证实了催化剂“内部体积”在反应中的关键作用，更将催化反应的设计维度从传统的二维表面拓展至三维“表面-界面-体积”协同体系。

长期以来，科学界普遍认为催化反应主要发生在催化剂表面，内部体积往往被视为“惰性”区域。然而，该研究团队在《自然》杂志发表的成果显示，在钌/金红石型二氧化钛（Ru/r-TiO2）体系中，氧原子能够突破表面限制，通过特定的原子通道在催化剂内部进行大规模“溢流”。这种溢流现象并非局限于表面，而是深入至表面下三至五个原子层的深度，由氧化学势差驱动，直接参与了物质的转移过程。

为何选择二氧化钛作为研究对象？二氧化钛因其独特的氧化还原能力和多种晶体结构，成为研究氧存储与释放行为的理想模型。团队通过高分辨成像技术，清晰揭示了氧原子在金属钌与二氧化钛载体界面的迁移路径。研究发现，载体内部形成了一个促进氧溢流的“通道”，而金属 - 载体界面则扮演了原子级“阀门”的角色，精准调控氧溢流是否发生。这一发现彻底改变了人们对金属 - 载体相互作用的传统理解。

回顾历史，约五十年前科学家便发现了金属 - 载体相互作用，但当时仅关注表面原子交换。此次研究将这一概念大幅扩展，证明内部界面同样活跃。正如刘伟教授所言，这一发现启发了一种全新策略：利用传统认为无用的催化剂体积，通过界面工程调控，使其直接参与化学反应。黄延强教授进一步指出，这种独特的氧溢流机制使得原本对反应物“不可达”的催化剂内部区域，在反应中发挥了关键的传质作用。

展望未来，该成果为催化剂设计提供了全新的理论支撑。陶贻教授表示，利用这一机制，可将催化剂架构从二维表面反应升级为三维“表面 - 界面 - 体积”协同体系。这意味着未来的催化材料设计不再局限于表面修饰，而是通过原子级工程，激活催化剂内部潜能，实现反应效率的质的飞跃。对于中国科研界而言，这一成果标志着在单颗粒原位成像及催化机理研究方面已处于国际领先地位，为开发下一代高效能源与环境催化材料奠定了坚实基础。