Rotation during reaction Determining changes in heterogeneous catalysts under reaction conditions can provide insight into mechanisms. Under reaction conditions, not only can metal nanoparticles change shape but their interaction with the oxide support could also be affected. Yuan et al. used aberration-corrected environmental transmission electron microscopy to study gold nanoparticles on titanium surfaces at low electron beam doses. During carbon monoxide (CO) oxidation at total pressures of a few millibars and 500°C, they observed that gold nanoparticles rotated by about 10° but returned to their original position when CO was removed. Density function theory calculations indicated that rotation was induced by changes in the coverage of adsorbed molecular oxygen at the interface. Science , this issue p. 517

Imaging reactive surface water Recent developments in transmission electron microscopy (TEM) have enabled imaging of single atoms, but adsorbed gas molecules have proven more challenging because of a lack of sufficient image contrast. Yuan et al. adsorbed water and carbon monoxide (CO) on a reconstructed nanocrystalline anatase titanium dioxide (TiO 2 ) surface that has protruding TiO 3 ridges every four unit cells, which provide regions of distinct contrast. Water adsorption on this surface during environmental TEM experiments led to the formation of twinned protrusions. These structures developed dynamic contrast as the water reacted with coexposed CO to form hydrogen and carbon dioxide. Science , this issue p. 428

Identifying the active phase with the highest activity, which is long-believed to be a steady state of the catalyst, is the basis of rational design of heterogeneous catalysis. In this work, we performed detailed in situ investigations, successfully capturing the instantaneous structure–activity change in oscillating Pd nanocatalysts during methane oxidation, which reveals an unprecedented oscillatory active state. Combining in situ quantitative environmental transmission electron microscopy and highly sensitive online mass spectrometry, we identified two distinct phases for the reaction: one where the Pd nanoparticles refill with oxygen, and the other, a period of abrupt pumping of oxygen and boosted methane oxidation within about 1 s. It is the rapid reduction process that shows the highest activity for total oxidation of methane, not a PdO or Pd steady state under the conditions applied here (methane:oxygen = 5:1). This observation challenges the traditional understanding of the active phase and requires a completely different strategy for catalyst optimization.