Uma equipe liderada pelo Prof. Tao Zhang e pelo Prof. Yanqiang Huang no Instituto Dalian de Física Química (DICP) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), em colaboração com o Prof. Wei Liu do DICP e o Prof. Yanggang Wang da Universidade do Sul da Ciência e Tecnologia, rastreou diretamente o movimento de oxigênio em catalisadores. Utilizando a microscopia eletrônica de transmissão ambiental, eles observaram pela primeira vez o “spillover” de oxigênio no interior de catalisadores de Ru/rutile-TiO2. A descoberta aponta para novas maneiras de utilizar o interior dos catalisadores, que frequentemente foi negligenciado.
Os achados foram publicados na Nature em 15 de abril de 2026.
O Que É Spillover de Oxigênio em Catálise
Em reações catalíticas, “spillover” refere-se ao movimento de átomos ou moléculas, como hidrogênio ou oxigênio, entre um metal e o material que o suporta. A maioria das pesquisas anteriores se concentrou no “spillover” que ocorre ao longo da superfície dos catalisadores. Permanece incerto se o interior, ou bulk, de um catalisador também desempenha um papel nesses processos através de caminhos não-supraficiais.
Compreender o “spillover” é importante porque influencia como diferentes sites ativos interagem. Ele pode mudar a quantidade de sites disponíveis e afetar o desempenho de um catalisador. Trabalhos anteriores mostraram que materiais capazes de serem reduzidos podem melhorar o “spillover” nas superfícies, dependendo de quão longe e quão rápido os átomos se movem. No entanto, técnicas espectroscópicas tradicionais têm lutado para revelar os caminhos exatos envolvidos no nível de partículas individuais. Obter uma imagem mais clara poderia ajudar os cientistas a controlar melhor reações que dependem do “spillover”.
Por Que o Dióxido de Titânio Foi Escolhido
Os pesquisadores escolheram o dióxido de titânio (TiO2) porque ele pode armazenar e liberar oxigênio de maneira eficiente. Sua capacidade de mudar os estados de oxidação, juntamente com sua variedade de estruturas cristalinas, torna-o um modelo útil para estudar o comportamento do oxigênio. Usando a microscopia eletrônica de transmissão ambiental, a equipe conseguiu observar diretamente o movimento do oxigênio em partículas individuais de rutênio sobre dióxido de titânio (Ru/TiO2).
Primeira Evidência Direta de Spillover de Oxigênio no Bulk
Durante décadas, os cientistas acreditaram que o “spillover” ocorria principalmente nas superfícies dos catalisadores. Neste estudo, a equipe forneceu a primeira observação direta do movimento do oxigênio dentro do bulk de um catalisador em rutênio apoiado em dióxido de titânio rutilo (Ru/r-TiO2).
“Um canal foi revelado no suporte de TiO2 para facilitar o “spillover” de oxigênio, enquanto a interface metal-suporte atua como uma guarda em escala atômica, controlando se o “spillover” de oxigênio pode passar. Essa descoberta inspira uma nova estratégia para utilizar o bulk do catalisador, que convencionalmente é considerado inútil na catálise,” disse o Prof. Wei Liu.
Movimento do Oxigênio Abaixo da Superfície
Os pesquisadores mostraram que os átomos de oxigênio viajam através da interface (Ru/r-TiO2) de camadas localizadas três a cinco átomos abaixo da superfície de r-TiO2 até o metal. Esse movimento é impulsionado pelas diferenças no potencial químico do oxigênio.
“Esse spillover único de oxigênio em nosso trabalho permite que o bulk de um catalisador, que é inacessível a reagentes, contribua para a transferência de massa durante reações catalíticas, sublinhando a importância crítica da engenharia de interfaces no controle do comportamento do “spillover”,” disse o Prof. Yanqiang Huang.
Expandindo o Conceito de Interação Metal-Suporte
Quase 50 anos atrás, os cientistas identificaram interações metal-suporte, onde partículas de metal ficam cercadas por materiais óxidos, como TiO2, em condições fortemente redutoras. Esse processo pode reduzir a capacidade do metal de adsorver moléculas como H2 e CO. Tradicionalmente, acreditava-se que essas interações envolviam troca de material apenas nas superfícies externas dos metais e seus suportes, com a fronteira entre eles desempenhando um papel crucial nas reações.
Este novo trabalho expande esse conceito ao mostrar que o “spillover” de oxigênio no bulk permite que as regiões internas de um catalisador participem da transferência de massa durante reações. Essas interfaces internas foram anteriormente consideradas inacessíveis.
Rumo a um Design de Catalisadores Mais Eficiente
Os achados destacam como a engenharia de interfaces é importante para controlar o comportamento do “spillover”. Eles também demonstram o poder da imagem microscópica in situ em nível de partícula única para descobrir caminhos de reação em sistemas catalíticos.
Olhando para o futuro, os pesquisadores pretendem construir sobre essa descoberta. “Aproveitando esta excelente oportunidade, podemos melhorar a arquitetura da catálise de reações de superfície bidimensionais para a sinergia tridimensional ‘superfície-interface-bulk’. Isso fornece novas perspectivas sobre a engenharia atômica interfacial na catálise heterogênea e o comportamento dinâmico catalítico de catalisadores metálicos suportados. O próximo objetivo é desenvolver catalisadores práticos que utilizem o bulk para contribuir diretamente com reações químicas,” disse o Prof. Tao Zhang.
