Ru/r-TiO2触媒におけるバルク酸素スピルオーバーの初観測(Study Reveals First-Ever Observation of Bulk Oxygen Spillover in Ru/r-TiO2 Catalysts)

2026-04-16 中国科学院(CAS)

本研究は、触媒における酸素スピルオーバー現象について、従来の表面限定モデルを覆し、触媒内部(バルク)での発生を初めて実験的に観測した成果である。中国科学院大連化学物理研究所の研究チームは、Ru/r-TiO2触媒を対象に環境透過型電子顕微鏡を用い、酸素がTiO2内部の数原子層から金属Ruへ移動する過程を直接可視化した。この移動は酸素化学ポテンシャル勾配によって駆動され、金属―担体界面がスピルオーバーの制御ゲートとして機能することが判明した。さらに、触媒内部も物質移動に寄与し得ることを示し、界面設計による触媒性能向上の新戦略を提示した。従来は不活性と考えられていたバルク領域の役割を再評価する重要な知見である。

<関連情報>

イメージングインターフェース制御によるバルク酸素スピルオーバー Imaging interface-controlled bulk oxygen spillover

Weijue Wang  (王玮珏),Hongbin Xu  (许泓斌),Shuhui Liu  (刘淑慧),Xiaofeng Yang  (杨小峰),Wei Liu  (刘伟),Yang-Gang Wang  (王阳刚),Yanqiang Huang  (黄延强) & Tao Zhang  (张涛)
Nature  Published:15 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10324-x

Ru/r-TiO2触媒におけるバルク酸素スピルオーバーの初観測(Study Reveals First-Ever Observation of Bulk Oxygen Spillover in Ru/r-TiO2 Catalysts)

Abstract

As one dynamic aspect of catalysis, spillover is known as species diffusion between an active metal and its support1,2,3, especially in reactions involving hydrogen and oxygen4,5,6,7,8. Spillover confined on the catalyst surface has been investigated extensively9,10; however, it remains unclear whether the bulk catalyst participates in the reactions through non-surface spillover. Here we track the oxygen spillover in Ru/TiO2 catalysts using in situ environmental transmission electron microscopy. Lattice oxygen was found to transport directly from the TiO2 substrate to the supported Ru particles through the Ru/TiO2 interface instead of the traditionally expected surface diffusion11. As a result, the TiO2 lattice at the subsurface was strained reversibly to provide channels for oxygen transport, as detected by the picometre-precision tracing of atomic displacement. The structural adaptability at the metal–support interface is critical for controlling oxygen spillover, which is switched on in Ru/rutile-TiO2 but switched off in Ru/anatase-TiO2. As shown by the real-time atom-resolved evidence, this bulk oxygen spillover is generally viable in supported metal catalysts of an interfacial epitaxy nature and demonstrates the significance of rationally engineered metal–support interfaces for activating the oxygen in bulk catalyst to contribute to reactions.

0505化学装置及び設備
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