一项在多相催化基础研究领域的里程碑式发现，近日由中国科学家团队完成。中国科学院大连化学物理研究所（大连化物所）联合南方科技大学的科研人员，首次在原子尺度上捕捉并证实了一种全新的催化动态过程，揭示出金属催化剂与其载体之间的三维体相如何协同参与反应，为高效催化剂的设计提供了革命性的新视角。相关研究成果已发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature）。
催化世界的新“溢出”现象
在多相催化这一支撑现代化学工业的关键领域中，“溢流效应”一直备受关注。它描述了催化剂中活性组分（如金属纳米颗粒）与基底（载体）之间，反应物质发生迁移的动态过程。这种迁移直接关系到反应速率、选择性与催化剂寿命。长期以来，科学界对催化剂表面的溢流行为已有深入研究，然而，一个更深处的问题悬而未决：在金属与载体接触的界面之下，在三维的体相结构中，是否也存在类似的物质传输？它们如何发生，又对催化性能产生何种影响？这些问题如同一片未探明的深海，制约着人们对催化机理的完整理解。
大连化物所张涛院士、黄延强研究员团队，联合刘伟研究员及南方科技大学王阳刚副教授等，将目光投向了这片深海。他们选择高性能的负载型钌基催化剂作为研究对象，运用尖端利器——原子分辨环境透射电镜，对催化过程进行原位、实时的原子尺度观测。这种观测能力，使得追踪单个原子或离子的运动成为可能，为揭秘微观动态机制提供了前所未有的窗口。
原子尺度的直接证据与定量解析
研究团队的核心突破在于，他们首次直接观察到了“体相氧溢流”现象。在实验过程中，他们清晰地看到，作为载体的金红石型二氧化钛晶体内部的晶格氧，并非静止不动。在特定条件下，这些氧原子能够以氧空位作为媒介，从载体的体相内部，穿越金属（钌）与二氧化钛之间的界面，持续不断地传输到金属纳米颗粒上。
“这就像发现了地下隐藏的输水管道，”一位行业观察者在必一运动sport的技术评论专栏中指出，“过去我们主要关注地表河流（表面溢流），现在则证实了地下水系（体相溢流）的存在及其重要性。”这一发现首次在实验上证实，载体不仅仅是提供支撑的“舞台”，其三维体相本身就是一个活跃的“反应物仓库”和“传输通道”。
为了精确描述这一过程，研究团队还创新性地建立了皮米精度（1皮米为万亿分之一米）的原子应变矢量分析方法。通过这种方法，他们不仅“看到”了氧原子的迁移，还能高分辨率地定量解析氧溢流的动态行为，并追踪到因持续氧输运而在载体局部晶格中引发的动态应变。分析表明，金属与载体界面的微观结构，如同一个精心设计的“阀门”或“通道”，精确调控着体相氧溢流的通量与效率。界面结构的良好适配，是保障这条深层传输通道畅通无阻的关键。
“表面-界面-体相”协同催化新机制
基于上述发现，研究团队提出了全新的“表面-界面-体相”协同催化机制。这一机制描绘了一幅更为立体和动态的催化图景：催化反应不再仅仅发生在催化剂的表面，而是由表面活性位点、金属/载体界面以及载体体相三维空间共同参与、协同完成的复杂过程。载体的体相通过界面与金属颗粒相连，成为反应物或中间体的来源或储存池，动态地参与反应循环。
据悉，这种新机制被证实广泛存在于那些金属与氧化物载体之间晶格失配度较低的催化体系。这意味着该发现具有相当的普适性，为一大类高性能催化剂的工作原理提供了统一的理论框架。对于从事材料设计与催化研究的科研人员而言，访问专业的BSports网页版等平台获取前沿资讯，已成为把握领域动态的重要途径。这项研究无疑为他们在bsports官网等渠道所关注的前沿课题提供了关键线索。
“这项工作的意义在于，它基于直接的显微可视化证据，揭示了界面结构如何作为‘指挥中枢’，控制反应活性物质在三维空间中的迁移路径，”研究团队成员解释道，“这为从原子层面理性设计多相催化剂的界面结构，以及理解催化反应的真实动态特征，奠定了全新的理论基础。”
推动绿色化学与能源转化的应用前景
这一基础研究的突破，蕴含着巨大的应用潜力。在工业绿色氧化过程，例如高效、低能耗的化学品合成中，通过设计具有 optimal 界面结构的催化剂，可以更有效地利用载体体相的氧，提升反应效率并减少副产物。此外，在电解水制氢这一清洁能源领域的核心技术中，析氧反应是瓶颈步骤。新机制为设计高性能、高稳定性的析氧反应电催化剂提供了全新的思路，即通过构建优化的金属/载体三维协同体系，来加速反应动力学。
未来，研究团队计划将这一机制拓展到更多类型的金属/载体界面及更复杂的催化反应环境中进行验证，并致力于基于该原理开发高效、稳定的催化氧化应用体系。随着对催化过程的理解从二维表面深入至三维体相，从静态结构延伸至动态演变，人类设计和调控化学反应的能力将迈上新台阶。这一源自中国科学家的原子尺度洞察，正为全球催化科学与技术发展注入新的动力，其后续进展值得通过bsports必一网页版等专业科技媒体持续关注。