在国家自然科学基金项目（项目编号：22476201、22188102和22206017）、中国科协青年人才托举工程项目（项目编号：YESS20240368）等资助下，中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在Fe(III)加速气液界面S(IV)氧化方面取得重要进展（图1）。研究成果以“pH-Dependent Fe(III) Speciation and Concerted Proton-Electron Transfer Mechanism Accelerated S(IV) Oxidation at the Air-Water Interface”为题于近期发表于Journal of the American Chemical Society (DOI:10.1021/jacs.5c21077)，该研究成果被选为补充封面论文（图2）。
铁（Fe）作为大气中丰度最高的过渡金属元素，其催化S(IV)氧化的过程对大气硫化学和二次颗粒物生成具有重要意义。尽管已有研究证实该反应在气液界面的速率显著高于体相反应，但其界面加速机制尚不清楚，特别是pH依赖的Fe(III)配位结构演变对该反应过程的调控作用被长期忽视。传统观点通常将低pH条件下氧化速率加快归因于Fe(III)溶解度提高，而忽略了Fe(III)配体的形态差异（与OH-/H2O配位）对电子转移能力的影响，不同pH条件下各Fe(III)物种催化氧化S(IV) 的过程仍不清楚。
为揭示气液界面上Fe(III)氧化S(IV)的反应机制，本研究采用理论模拟与实验验证相结合的方法，发现气液界面上低pH条件下S(IV)被Fe(III)物种氧化的反应速率比高pH条件下提升了数个数量级。理论模拟结果表明速率提升主要源于低pH条件形成的高活性Fe(III)形态（[Fe(H2O)5(OH)]2+），其最低未占据分子轨道能级降低显著增强了电子接受能力，从而促进了氧化反应的进行。实验研究直接检测到SO3·-自由基的特征信号峰，且观察到低pH条件下信号强度显著高于高pH条件，为理论预测提供了有力的实验证据。本研究阐明了微液滴体系中Fe(III)催化S(IV)氧化反应的pH依赖，明确了质子耦合电子转移机制在该反应过程中的关键作用，揭示了过渡金属离子形态演变在大气二次颗粒物生成和硫循环过程的重要影响。
中国科学院生态环境研究中心李浩副研究员、楚碧武研究员和贺泓院士为论文通讯作者，中国科学院生态环境研究中心与城市环境研究所联合培养博士研究生张晓梦和赤峰学院刘佳荣副教授为论文共同第一作者。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c21077
图1 气液表面不同pH条件下Fe(III)物种氧化S(IV)示意图
图2 补充封面
大气环境与污染控制实验室
2026年3月27日