近日，大連化物所催化與新材料研究中心（1500組群）張濤院士、黃延強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合大連化物所能源催化轉(zhuǎn)化全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境小分子催化研究中心催化動(dòng)態(tài)解析研究組（534組）劉偉研究員、南方科技大學(xué)王陽剛副教授等在多相催化溢流效應(yīng)研究中取得重要進(jìn)展，首次在原子尺度上觀察并證實(shí)了金屬/載體界面控制的體相氧溢流現(xiàn)象，明確了該現(xiàn)象在多相催化反應(yīng)中的重要作用，并據(jù)此提出了金屬/載體的“表面—界面—體相”協(xié)同催化新機(jī)制。
溢流效應(yīng)是多相催化反應(yīng)的重要?jiǎng)討B(tài)特征之一，涉及負(fù)載金屬與載體之間的活性物種擴(kuò)散行為。催化劑的表面溢流已被深入研究，然而關(guān)于負(fù)載型金屬催化劑的體相，特別是金屬/載體界面的可能溢流機(jī)制及其催化作用尚不明確。
在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)聚焦高性能負(fù)載型釕（Ru）基催化劑的研發(fā)，利用原子分辨環(huán)境透射電鏡，從原子尺度原位解析了負(fù)載于金紅石型二氧化鈦上Ru單顆粒（Ru/TiO2）的氧化機(jī)制，并首次在該過程中觀測(cè)到體相氧溢流，證實(shí)了載體中的晶格氧以空位介導(dǎo)的方式，通過金屬/載體內(nèi)部界面（interior interface）輸運(yùn)至金屬顆粒。此外，團(tuán)隊(duì)還建立了皮米精度原子應(yīng)變矢量分析方法，高分辨定量解析了氧溢流的行為，并追蹤到界面持續(xù)氧輸運(yùn)所引發(fā)的載體局域晶格動(dòng)態(tài)應(yīng)變，進(jìn)而揭示了金屬/載體界面對(duì)體相氧溢流的調(diào)控作用，闡明了界面結(jié)構(gòu)適配是體相氧溢流通道暢通的保障。該機(jī)制被證實(shí)廣泛存在于氧化物相低晶格失配度的金屬/載體界面催化劑體系，并在催化反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
上述研究基于顯微可視化證據(jù)，揭示了界面結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)活性物質(zhì)遷移的關(guān)鍵影響，為多相催化界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)反應(yīng)特征提供了新的理論認(rèn)識(shí)。
相關(guān)研究成果以“Imaging interface-controlled bulk oxygen spillover”為題，于近日發(fā)表在《自然》（Nature）上。該工作的共同第一作者是大連化物所1506組博士研究生王瑋玨和南方科技大學(xué)博士研究生許泓斌。上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委“單原子催化”基礎(chǔ)科學(xué)中心、國(guó)家重大科研儀器研制、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“單原子催化甲醇多相羰基化”等項(xiàng)目的支持。
