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“溢流”现象指活性物种（如氢或氧）在金属与载体之间的扩散，对催化性能至关重要。长期以来，研究者普遍认为溢流主要发生在催化剂表面，即物种沿外表面从金属迁移到载体或反之。然而，催化剂的体相晶格是否也能参与这一过程，始终缺乏直接的原子尺度证据。这一问题的解答不仅关乎对催化机理的基础认知，更可能为设计高效氧化催化剂开辟全新路径。
2026年4月15日，中国科学院大连化学物理研究所刘伟、黄延强、张涛院士团队联合南方科技大学王阳刚教授等，在《自然》期刊上发表题为《Imaging interface-controlled bulk oxygen spillover》的研究论文。研究团队利用原位环境透射电子显微镜，在原子分辨率下实时追踪了Ru/TiO₂催化剂中氧溢流的完整路径，首次发现氧物种并非沿传统认为的表面扩散，而是通过金属-载体界面从TiO₂的亚表层（3-5个原子层深度）直接输运至Ru颗粒，颠覆了教科书式的表面溢流模型。
研究的关键证据来自对金红石TiO₂（r-TiO₂）负载Ru纳米颗粒的实时氧化观测。在450°C、10 Pa O₂气氛下，RuO₂相并非从颗粒表面向内生长（即经典的“收缩核”模式），而是从Ru/r-TiO₂界面内部开始，沿r-TiO₂(110)晶面以“自下而上”的逐层外延方式生长。通过皮米级精度的原子位移分析，团队发现TiO₂载体在氧化过程中发生了可逆的晶格压缩：最表层四层(110)晶面间距从0.324 nm收缩至0.317 nm，氧化完成后恢复原值。这种各向异性的晶格畸变正是氧离子集体迁移留下的“结构脚印”。进一步的密度泛函理论计算表明，氧空位在r-TiO₂亚表层形成和迁移的能垒仅0.7-1.5 eV，在反应温度下易于跨越，从而构建了“表面氧空位淬灭→空位介导的体相氧输运→Ru氧化”的三步机制。
尤为重要的是，该体相氧溢流表现出极强的界面敏感性：在外延匹配的Ru/r-TiO₂体系中高效发生，而在晶格失配的Ru/锐钛矿TiO₂（a-TiO₂）体系中则完全被抑制。通过高温破坏界面外延后，氧溢流也被阻断，证实了界面结构的关键调控作用。研究还展示了这一机制在真实催化反应中的优势：在CO氧化中，RuO₂/r-TiO₂可利用体相氧参与Mars-van Krevelen机理，并通过调节CO/O₂比例实现可逆的氧化-还原循环；在N₂O分解中同样观察到类似的界面溢流行为。该机制在Ru/SnO₂和Ir/r-TiO₂等体系中亦得到验证，具有普适性。
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