2026-04-16 | 科研部 Nature | 南科大王阳刚团队与合作者揭示催化中氧溢流的隐秘通道

近日，南方科技大学化学系副教授王阳刚团队与中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队合作，首次在原子尺度上揭示了金属/载体界面控制的体相氧溢流现象，明确了该现象在多相催化反应中的重要作用，提出了金属-载体的“表面-界面-体相”协同催化的新机制。相关成果以“ Imaging interface-controlled bulk oxygen spillover”为题发表于国际学术期刊《自然》Nature。

在催化反应中，“溢流”现象指活性物种在金属与载体之间的迁移过程，该过程对于氢和氧的相关反应至关重要。长期以来，科研界对催化剂表面的溢流行为已有深入认识，但关于负载型金属催化剂的体相是否存在类似的溢流过程，以及其如何影响催化反应仍是未解之谜。

研究团队利用原位环境透射电子显微镜，在Ru/TiO₂模型催化剂上成功实现了对氧溢流过程的实时追踪。令人意外的是，氧并未沿着催化剂表面迁移，而是从金红石型TiO₂载体表层下方数层原子深处，通过金属与氧化物之间的“埋藏界面”直接输运到负载的钌颗粒上。实验表明，在氧化过程中，TiO₂晶格在界面下方发生可逆压缩，形成瞬时的原子通道，这种结构上的“自适应”能力对氧溢流至关重要。

研究人员通过理论计算工作揭示了这一过程的驱动原理。氧在化学势驱动下，从气相进入TiO₂晶格，随后经由体相经过界面输运至Ru颗粒。计算表明，在Ru/TiO₂界面处，氧化学势在氧空位和界面区域呈现较低值，像“低洼地带”一样吸引氧优先进入这些位置。基于此，研究团队提出了一种“空位介导”的氧输运机制，即氧空位从界面迁移至TiO₂表面，促进氧气活化，同时表面新空位不断生成并被补充，形成一个自我维持的氧溢流循环。

这种氧溢流机制在一氧化碳氧化和一氧化二氮分解反应中得到实验验证，并在Ru/SnO₂和Ir/TiO₂等催化剂体系中也观察到类似现象，表明该机制在具有良好界面匹配的负载型金属催化剂中具有一定普适性。这一发现刷新了对溢流机制的传统认知，揭示了金属–载体界面在催化过程中不仅是被动的锚定位点，更能够主动参与活性物种的输运，为高效催化剂的设计提供了全新思路。

中国科学院大连化学物理研究所博士研究生王玮珏、南方科技大学2025级博士研究生许泓斌为论文共同第一作者。王阳刚与中国科学院大连化学物理研究所张涛院士、黄延强研究员、刘伟研究员为论文共同通讯作者。南科大为论文的共同通讯单位。该项目获得了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目资助以及南方科技大学计算中心的支持。

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

供稿：化学系

通讯员：陈敏

主图：丘妍

编辑：任奕霏