Una scoperta epocale sta rivoluzionando il modo in cui gli scienziati concepiscono i catalizzatori. Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a osservare gli atomi di ossigeno muoversi all’interno di un catalizzatore, e non solo lungo la sua superficie. Questo rivela che il materiale nel suo complesso può partecipare attivamente alle reazioni, aprendo una nuova frontiera nella progettazione dei catalizzatori. Tale scoperta potrebbe portare a sistemi più intelligenti ed efficienti, sfruttando questo percorso interno nascosto.
Un team guidato dal Prof. Tao Zhang e dal Prof. Yanqiang Huang del Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS), in collaborazione con il Prof. Wei Liu del DICP e il Prof. Yanggang Wang della Southern University of Science and Technology, ha tracciato direttamente il movimento dell’ossigeno nei catalizzatori. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ambientale, hanno osservato per la prima volta la fuoriuscita di ossigeno in massa nei catalizzatori Ru/rutilo-TiO2. Questa scoperta apre nuove prospettive per l’utilizzo della parte interna dei catalizzatori, spesso trascurata.
I risultati sono stati pubblicati su Nature il 15 aprile 2026.
Cos’è il fenomeno di spillover dell’ossigeno nella catalisi?
Nelle reazioni catalitiche, il termine “spillover” si riferisce al movimento di atomi o molecole, come idrogeno o ossigeno, tra un metallo e il materiale che lo supporta. La maggior parte delle ricerche precedenti si è concentrata sullo spillover che avviene lungo la superficie dei catalizzatori. Non è ancora chiaro se anche l’interno, o la massa, di un catalizzatore svolga un ruolo in questi processi attraverso percorsi non superficiali.
Comprendere il fenomeno dello spillover è importante perché influenza il modo in cui interagiscono i diversi siti attivi. Può modificare il numero di questi siti disponibili e influire sulle prestazioni di un catalizzatore. Studi precedenti hanno dimostrato che i materiali in grado di essere ridotti possono migliorare lo spillover sulle superfici, a seconda della distanza e della velocità di spostamento degli atomi. Tuttavia, le tecniche spettroscopiche tradizionali hanno faticato a rivelare i percorsi esatti coinvolti a livello delle singole particelle. Ottenere un quadro più chiaro potrebbe aiutare gli scienziati a controllare meglio le reazioni che dipendono dallo spillover.
Perché è stato scelto il biossido di titanio
I ricercatori hanno scelto il biossido di titanio (TiO₂ ) perché è in grado di immagazzinare e rilasciare ossigeno in modo efficiente. La sua capacità di cambiare stato di ossidazione, insieme alla varietà di strutture cristalline, lo rende un modello utile per studiare il comportamento dell’ossigeno. Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione ambientale, il team è stato in grado di osservare direttamente il movimento dell’ossigeno su singole particelle di rutenio su biossido di titanio (Ru/TiO₂ ) .
Prima prova diretta di fuoriuscita di ossigeno su larga scala
Per decenni, gli scienziati hanno creduto che il fenomeno di spillover si verificasse principalmente sulla superficie del catalizzatore. In questo studio, il team ha fornito la prima osservazione diretta del movimento dell’ossigeno all’interno del catalizzatore in rutenio supportato su biossido di titanio rutilo (Ru/r-TiO₂ ) .
“È stato scoperto un canale nel supporto di TiO₂ che facilita la fuoriuscita dell’ossigeno, mentre l’interfaccia metallo-supporto agisce come una barriera a livello atomico, controllando se l’ossigeno può passare. Questa scoperta ispira una nuova strategia per utilizzare la massa del catalizzatore che convenzionalmente si ritiene inutile nella catalisi”, ha affermato il Prof. Wei Liu.
Movimento dell’ossigeno sotto la superficie
I ricercatori hanno dimostrato che gli atomi di ossigeno si spostano attraverso l’interfaccia (Ru/r-TiO₂ ) dagli strati situati da tre a cinque atomi al di sotto della superficie di r-TiO₂ fino al metallo. Questo movimento è guidato dalle differenze di potenziale chimico dell’ossigeno.
“Questo fenomeno unico di spillover di ossigeno, osservato nel nostro lavoro, consente alla maggior parte del catalizzatore, altrimenti inaccessibile ai reagenti, di contribuire al trasferimento di massa durante le reazioni catalitiche, sottolineando l’importanza cruciale dell’ingegneria dell’interfaccia nel controllo del comportamento di spillover”, ha affermato il Prof. Yanqiang Huang.
Ampliamento del concetto di interazione metallo-supporto
Quasi 50 anni fa, gli scienziati hanno identificato le interazioni metallo-supporto, in cui le particelle metalliche vengono circondate da materiali ossidici come il TiO₂ in condizioni fortemente riducenti. Questo processo può ridurre la capacità del metallo di adsorbire molecole come H₂ e CO. Tradizionalmente, si pensava che queste interazioni implicassero uno scambio di materiale solo sulle superfici esterne dei metalli e dei loro supporti, con l’interfaccia tra di essi che giocava un ruolo chiave nelle reazioni.
Questo nuovo lavoro amplia tale concetto dimostrando che la fuoriuscita di ossigeno dalla massa del catalizzatore permette alle regioni interne di partecipare al trasferimento di massa durante le reazioni. Queste interfacce interne erano precedentemente considerate inaccessibili.
Verso una progettazione dei catalizzatori più efficiente
I risultati evidenziano quanto sia importante l’ingegneria dell’interfaccia per controllare il comportamento di spillover. Dimostrano inoltre la potenza dell’imaging microscopico in situ a livello di singola particella per svelare i percorsi di reazione nei sistemi catalitici.
Guardando al futuro, i ricercatori puntano a sviluppare ulteriormente questa scoperta. “Sfruttando questa eccellente opportunità, possiamo migliorare l’architettura della catalisi, passando dalle reazioni superficiali bidimensionali alla sinergia tridimensionale ‘superficie-interfaccia-volume’. Ciò fornisce nuove prospettive sull’ingegneria atomica interfacciale nella catalisi eterogenea e sul comportamento catalitico dinamico dei catalizzatori metallici supportati. Il prossimo obiettivo è sviluppare catalizzatori pratici che utilizzino il volume del materiale per contribuire direttamente alle reazioni chimiche”, ha affermato il Prof. Tao Zhang.
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