Uma equipe liderada pelo professor Tao Zhang e pelo professor Yanqiang Huang do Instituto de Física Química de Dalian (DICP) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), trabalhando com o professor Wei Liu do DICP e o professor Yanggang Wang da Southern University of Science and Technology, rastreou diretamente o movimento do oxigênio do gato. Usando microscopia eletrônica de transmissão ambiental, eles observaram pela primeira vez o derramamento de oxigênio em massa em catalisadores de Ru/rutilo-TiO2. A descoberta aponta para novas formas de utilização do interior dos catalisadores, que muitas vezes têm sido esquecidas.
Os resultados são publicados a natureza em 15 de abril de 2026.
O que é o transbordamento de oxigênio na catálise?
Nas reações catalíticas, o transbordamento refere-se ao movimento de átomos ou moléculas como hidrogênio ou oxigênio entre o metal e o material que o suporta. A maioria das pesquisas anteriores concentrou-se nas repercussões que ocorrem ao longo da superfície do catalisador. Permanece incerto se o interior, ou volume, do catalisador desempenha um papel nestes processos através de vias não superficiais.
Compreender o transbordamento é importante porque afeta a forma como os diferentes locais ativos interagem. Isso pode alterar quantos desses sites estão disponíveis e afetar o funcionamento de um catalisador. Trabalhos anteriores mostraram que a redução de materiais pode aumentar o transbordamento da superfície, dependendo da distância e da rapidez com que os átomos se movem. No entanto, as técnicas espectroscópicas tradicionais têm lutado para revelar os caminhos exatos envolvidos no nível das partículas individuais. Obter uma imagem mais clara pode ajudar os cientistas a controlar melhor as respostas que dependem de repercussões.
Por que o dióxido de titânio foi escolhido?
Os pesquisadores usaram dióxido de titânio (TiO2) porque pode armazenar e liberar oxigênio com eficiência. Sua capacidade de alterar os estados de oxidação, juntamente com suas diversas estruturas cristalinas, tornam-no um modelo útil para estudar o comportamento do oxigênio. Usando microscopia eletrônica de transmissão ambiental, a equipe conseguiu observar diretamente o movimento do oxigênio no rutênio isolado em dióxido de titânio (Ru/TiO).2) partículas.
Primeira evidência direta de transbordamento de oxigênio em massa
Durante décadas, os cientistas acreditaram que o transbordamento ocorria principalmente na superfície do catalisador. Neste estudo, a equipe fornece a primeira observação direta do movimento do oxigênio dentro de um volume catalisador de dióxido de titânio rutilo (Ru/r-TiO) suportado por rutênio.2)
“Um canal foi publicado no Tio2 suporte para facilitar o derramamento de oxigênio, enquanto a interface metal-suporte atua como uma proteção em escala atômica, controlando se o derramamento de oxigênio pode passar. Esta descoberta inspira uma nova estratégia para usar massa de catalisador que convencionalmente se acredita ser inútil na catálise”, disse o professor Wei Liu.
Movimento de oxigênio abaixo da superfície
Os pesquisadores mostraram que os átomos de oxigênio viajam através do (Ru/r-TiO).2) interface de camadas localizadas três a cinco átomos abaixo da superfície de r-TiO2 Este movimento em direção ao metal é impulsionado pela diferença de potencial químico do oxigênio.
“Este transbordamento de oxigênio único em nosso trabalho permite que um catalisador, de outra forma inacessível aos reagentes, contribua para a transferência de massa durante as reações catalíticas, ressaltando a importância crítica da engenharia de interface no controle do comportamento de transbordamento”, disse o professor Yanqiang Huang.
Ampliando o conceito de interação metal-suporte
Cerca de 50 anos atrás, os cientistas identificaram interações metal-suporte, onde partículas metálicas são cercadas por materiais óxidos como o TiO.2 Sob condições fortemente redutoras. Este processo pode reduzir a capacidade do metal de absorver moléculas como H2 e CO. Tradicionalmente, pensava-se que essas interações envolviam troca de materiais apenas nas superfícies externas dos metais e seus suportes, desempenhando um papel fundamental nas reações interfaciais entre eles.
Este novo trabalho amplia o conceito de que o transbordamento de oxigênio permite que as regiões internas de um catalisador participem da transferência de massa durante a reação. Essas interfaces internas eram anteriormente consideradas inacessíveis.
Rumo a um design de catalisador mais eficiente
Esses resultados destacam a importância da engenharia de interface para controlar o comportamento de transbordamento. Eles também demonstram a capacidade da imagem microscópica in situ no nível de partícula única para descobrir caminhos de reação em sistemas catalíticos.
Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem desenvolver esta descoberta. “Aproveitando esta excelente oportunidade, podemos melhorar a arquitetura do catalisador desde a reação de superfície bidimensional até a sinergia tridimensional de ‘superfície-interface-volume’. Isso fornece novos insights sobre a engenharia atômica interfacial de catalisadores heterogêneos e desenvolve o comportamento catalítico de alvos catalíticos dinâmicos que são alvos metálicos suportados. Use o volume para contribuir diretamente para reações químicas, “disse o professor Tao Zhang.
