Uma equipe liderada pelo professor Tao Zhang e pelo professor Yantian 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 Yangang Wang da Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul, monitorou diretamente o movimento do oxigênio no catalisador. Usando microscopia eletrônica de transmissão ambiente, eles observaram pela primeira vez o excesso de oxigênio em um catalisador Ru/rutilo-TiO2. A descoberta aponta para novas formas de utilização do interior dos catalisadores que muitas vezes são esquecidas.
As descobertas foram publicadas em Natureza 15 de abril de 2026
O que é transferência 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 dos estudos anteriores concentrou-se no transbordamento que ocorre ao longo da superfície dos catalisadores. Permanece incerto se o interior do catalisador desempenha um papel nestes processos através de vias não superficiais.
Compreender a propagação é importante porque afeta as interações entre diferentes sítios ativos. Isto pode alterar o número de locais disponíveis e afetar o desempenho do catalisador. Trabalhos anteriores mostraram que os materiais renováveis podem melhorar o fluxo superficial dependendo da distância e da rapidez com que os átomos se movem. No entanto, os métodos espectroscópicos tradicionais têm lutado para revelar os caminhos exatos envolvidos no nível das partículas individuais. Obter uma imagem mais clara poderia ajudar os cientistas a controlar melhor as respostas dependentes de repercussões.
Por que o dióxido de titânio foi escolhido?
Os pesquisadores escolheram o dióxido de titânio (TiO2), porque pode armazenar e liberar oxigênio com eficiência. Sua capacidade de alterar os estados de oxidação, juntamente com sua variedade de estruturas cristalinas, tornam-no um modelo útil para estudar o comportamento do oxigênio. Usando microscopia eletrônica de transmissão ambiental, a equipe foi capaz de observar diretamente o movimento do oxigênio no rutênio individual no dióxido de titânio (Ru/TiO2) partículas.
A primeira evidência direta de um enorme transbordamento de oxigênio
Durante décadas, os cientistas acreditaram que o transbordamento ocorre principalmente na superfície do catalisador. Neste estudo, a equipe fez a primeira observação direta do movimento do oxigênio dentro do volume do catalisador em rutênio suportado em dióxido de titânio rutilo (Ru/r-TiO2).
“TiO tem um canal aberto2 suporte para facilitar o transbordamento de oxigênio, enquanto a interface de suporte metálico atua como um guardião em escala atômica, controlando se o oxigênio pode vazar. Esta descoberta inspira uma nova estratégia para explorar uma massa de catalisador que é geralmente considerada inútil na catálise”, disse o professor Wei Liu.
Movimento de oxigênio abaixo da superfície
Os pesquisadores mostraram que os átomos de oxigênio se movem (Ru/r-TiO2) interface de camadas localizadas três a cinco átomos abaixo da superfície de r-TiO2 para metal. Esse movimento se deve à diferença no potencial químico do oxigênio.
“Este fluxo de oxigênio único em nosso trabalho permite que a maior parte do catalisador, que de outra forma não estaria disponível para os reagentes, contribua para a transferência de massa durante as reações catalíticas, destacando a importância crítica do design da interface no controle do comportamento de transbordamento”, disse o professor Yanqian Huang.
Expandindo o conceito de interação metal-suporte
Quase 50 anos atrás, os cientistas identificaram interações metal-suporte onde partículas metálicas são cercadas por materiais óxidos como o TiO2 sob condições fortemente redutoras. Este processo pode reduzir a capacidade do metal de adsorver moléculas como H2 e CO. Tradicionalmente, pensava-se que essas interações envolviam troca de materiais apenas nas superfícies externas dos metais e seus suportes, com a interface entre eles desempenhando um papel fundamental nas reações.
Este novo trabalho amplia este conceito, mostrando que o excesso de oxigênio permite que as regiões internas do catalisador participem da transferência de massa durante as reações. Anteriormente, essas interfaces internas eram consideradas indisponíveis.
Rumo a um design de catalisador mais eficiente
Os resultados obtidos mostram o quão importante é o design da interface para controlar o comportamento de overflow. Eles também demonstram o poder da imagem microscópica in situ no nível de partícula única para revelar vias de reação em sistemas catalíticos.
Olhando para o futuro, os investigadores procuram desenvolver esta descoberta. “Usando esta oportunidade notável, podemos melhorar a arquitetura de catálise de reações de superfície bidimensionais para sinergia tridimensional de superfície-interface-bulk.” Isto fornece uma nova perspectiva sobre engenharia atômica interfacial em catálise heterogênea e o comportamento catalítico dinâmico de um catalisador metálico suportado. O próximo objetivo é desenvolver catalisadores práticos que utilizem volume para contribuir diretamente para a química. reações”, disse o professor Tao Zhang.
