Группа китайских ученых из Даляньского института химической физики и Южного университета науки и технологий получила прямые доказательства перемещения кислорода из внутренних слоев материала-носителя к активным центрам катализатора. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, меняют представление о механизмах работы гетерогенных катализаторов, которые традиционно рассматривались как сугубо поверхностные процессы.
В химии явление переноса атомов или молекул между активным металлом и подложкой называют спилловером. До сих пор большинство профильных работ было сосредоточено на перемещении частиц по поверхности материала. Вопрос о том, участвуют ли в этом процессе внутренние слои носителя через неповерхностные пути, оставался открытым из-за отсутствия инструментов для прямого наблюдения на атомном уровне.
Для эксперимента авторы выбрали систему из наночастиц рутения, нанесенных на диоксид титана в модификации рутила. Этот материал широко применяется в промышленности благодаря способности эффективно накапливать и отдавать кислород. С помощью метода просвечивающей электронной микроскопии в условиях контролируемой газовой среды исследователи смогли проследить за движением атомов в режиме реального времени на уровне отдельных частиц.
Наблюдения показали, что атомы кислорода перемещаются к металлу из слоев диоксида титана, расположенных на глубине трех–пяти атомов под поверхностью. Движущей силой процесса выступает разность химических потенциалов. При этом граница раздела между рутением и диоксидом титана выполняет роль шлюза, который регулирует, может ли поток кислорода пройти через интерфейс.
Обнаруженный механизм объемного спилловера расширяет концепцию взаимодействия металла и носителя, сформулированную почти полвека назад. Ранее считалось, что внутренние области катализатора остаются инертными и не участвуют в массообмене. Новые данные позволяют рассматривать каталитическую систему не как двухмерную плоскость, а как трехмерную структуру, где синергия поверхности, интерфейса и объема определяет общую эффективность реакции.
По мнению авторов работы, проектирование границ раздела фаз открывает возможности для создания более эффективных промышленных катализаторов. Понимание того, как задействовать ресурсы внутренних слоев носителя, позволит оптимизировать химические реакции, которые ранее считались ограниченными только площадью поверхности активного материала.
