Ein chinesisches Forscherteam hat mithilfe von Umwelt-Transmissionselektronenmikroskopie erstmals den sogenannten Bulk-Oxygen-Spillover in Katalysatoren direkt abgebildet. Sauerstoff wandert dabei nicht nur an der Oberfläche, sondern aus dem Volumen des Trägermaterials über die Metall-Träger-Grenzfläche zum aktiven Metallpartikel.
Die Studie unter Leitung von Prof. Zhang Tao und Prof. Huang Yanqiang vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) wurde am 15. April 2026 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
In heterogenen Katalysatoren beschreibt Spillover die Migration von Atomen oder Molekülen (wie Wasserstoff oder Sauerstoff) zwischen dem aktiven Metall und dem Trägermaterial. Bisher ging man davon aus, dass dieser Prozess weitgehend auf der Oberfläche stattfindet. Die neuen Aufnahmen zeigen nun, dass in Ru/Rutil-TiO₂-Katalysatoren Sauerstoffspezies aus drei bis fünf Atomlagen unter der Oberfläche des Titandioxids über die Grenzfläche zum Ruthenium-Partikel transportiert werden – gesteuert durch das chemische Sauerstoffpotential.
„Wir haben einen Kanal im TiO₂-Träger entdeckt, der den Sauerstoff-Spillover ermöglicht. Die Metall-Träger-Grenzfläche wirkt dabei wie eine atomare Schleuse, die entscheidet, ob Sauerstoff durchgelassen wird“, erklärte Prof. Liu Wei vom DICP. Im Gegensatz dazu sei der Bulk-Spillover bei Ru/Anatas-TiO₂ ausgeschaltet.
Die Beobachtung widerlegt die langjährige Annahme, dass nur die äußere Oberfläche des Katalysators an Reaktionen beteiligt ist. Stattdessen kann nun auch das Volumen (Bulk) des Trägermaterials – bisher als „nutzlos“ betrachtet – durch gezieltes Interface-Engineering zur Massentransport und damit zur Katalyse beitragen.
„Diese einzigartige Form des Sauerstoff-Spillovers ermöglicht es, dass der sonst für Reaktanten unzugängliche Bulk des Katalysators an der Reaktion teilnimmt. Sie unterstreicht die entscheidende Rolle des Interface-Engineerings“, sagte Prof. Huang Yanqiang.
Die Forscher sehen darin einen Paradigmenwechsel: Von zweidimensionalen Oberflächenreaktionen hin zu einer dreidimensionalen „Oberfläche–Grenzfläche–Bulk“-Synergie. Künftig wollen sie diese Erkenntnisse nutzen, um praktische Katalysatoren zu entwickeln, bei denen das Volumen des Materials aktiv zur chemischen Reaktion beiträgt.
Die Arbeit erweitert zudem das Konzept der starken Metall-Träger-Wechselwirkung (SMSI) um eine innere Grenzflächenkomponente und demonstriert das große Potenzial von In-situ-Einzelpartikel-Bildgebung für das Verständnis katalytischer Prozesse.
