科研进展----中国科学院生态环境研究中心

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欧阳志云研究组在森林伐后碳循环与碳储量研究方面取得新进展
城市与区域生态安全全国重点实验室欧阳志云研究组在森林伐后碳循环与碳储量研究方面取得新进展，相关研究成果以“Carbon Balance of China-Made Wood Products Assessed Using a Trade-Linked Approach”为题在线发表在《Environmental Science & Technology》上。林业的碳汇功能不仅存在于森林生态系统中，在经过森林采伐后，一部分生物量以木材的形式进入社会经济系统，在森林伐后阶段的“原材料供应—木质林产品生产—终端消费—废弃处理”整个生命周期中形成碳循环过程并累积碳储和碳汇。自1990年前后，森林伐后阶段的碳循环和碳储量进入学术界视野；2006年起，森林伐后碳循环和碳储量的4种核算方法基本奠定并被IPCC纳入《国家温室气体排放清单指南》。此后学术界和IPCC关于方法的选择和争议持续存在，其核心瓶颈在于，森林伐后生命周期过程由于国家间贸易流的存在，在全球范围内追踪碳循环和碳储过程极为复杂。而既有IPCC方法仅能满足国内自用木质林产品全生命周期内的碳循环和碳储量评估，在日益增长的全球贸易和不断强化的全球供应链的基本现实面前，IPCC方法在评估完整的森林伐后碳循环和碳储量、推动全球林业碳汇共同提升方面显得捉襟见肘。针对上述问题，研究团队创新性地提出了一种新的方法——贸易链法（Trade-Linked Approach），可以立足中间木质林产品生产国有效追溯前端原材料贸易流，并通过改进的投入产出模型追溯全球供应链后端的木质林产品终端消费和废弃处理过程。本研究以我国为案例，系统分析了我国1990-2020年森林伐后碳循环过程和碳储碳汇数量。研究发现，我国1990-2020年森林伐后阶段消耗原材料折合二氧化碳64.07亿吨，其中海外供应22%；生产木质林产品折合二氧化碳52.89亿吨，其中海外消费了13%；形成碳储量折合二氧化碳43.75亿吨，其中海外贡献了13%；2016-2020年形成碳汇量折合二氧化碳2.94亿吨/年，其中海外贡献了15%。图. 基于贸易链法的我国1990-2020年森林伐后碳循环过程和碳储量研究团队发现，尽管我国森林伐后阶段的碳储量仅相当于前端森林碳汇的约4%，但其碳汇能力却高达同期森林碳汇的35%，显示出森林伐后阶段在林业增汇方面的重要能力和巨大价值；2016-2020年流向海外的碳汇量达到了0.43亿吨/年，几乎与同期全球森林碳汇交易规模相当。同时，2016-2020年间，我国森林伐后阶段每年涉贸易的原材料和木质产品碳流动量分别达到了0.89和0.45亿吨，如若按照2020年森林碳汇的价格，价值合计高达7.5亿美元，其中仅发展中国家出口原材料所转移的碳价值就相当于当年全球用于REDD+项目经费的42%。研究团队据此提出的基于贸易链法的碳交易方案，能够有效地调动各国力量推动全球林业碳汇提升。本研究由中国科学院生态环境研究中心牵头，联合加拿大安大略林业研究所、悉尼大学、西班牙加泰罗尼亚林业科学与技术研究中心、葡萄牙阿威罗大学、同济大学、北京大学、南开大学、中国农业大学、南京林业大学等多家单位共同完成。中国科学院生态环境研究中心助理研究员张小标为论文第一作者，欧阳志云研究员和南京林业大学杨红强教授为通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家社会科学基金、中国科学院生态环境研究中心碳达峰碳中和生态环境技术专项等多项研究项目资助。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c09208区域与城市生态安全全国重点实验室2025年5月26日

2025-05-26
贺泓院士课题组发现V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂NH₃-SCR反应中WO₃助剂作用新机制
中国科学院生态环境研究中心贺泓院士团队在V2O5-WO3/TiO2催化剂氨选择性催化还原（NH3-SCR）反应机理研究方面取得新进展，相关研究成果以“Unexpected redox role of WO3 in V2O5-WO3/TiO2 catalysts for selective reduction of NO by forming V-W dinuclear sites”为题，发表在Angewandte Chemie International Edition（2025,e202501957）期刊上。催化剂通常由主催化剂、助催化剂和载体组成，助催化剂本身几乎没有活性，但与主催化剂共同作用，可显著提高催化剂的活性、选择性和稳定性等性能。V2O5-WO3/TiO2（V-W/TiO2）催化剂是一种典型的三元催化剂，自20世纪70年代以来广泛应用于NH3-SCR去除氮氧化物（NOx）中。现有研究普遍认为，WO3助剂主要通过增强V基催化剂的表面酸性和调控V2O5结构提高催化剂活性，而NH3-SCR反应的氧化还原循环都发生在V2O5物种上，WO3助剂不直接参与氧化还原过程。图1. （a）催化剂的H2-TPR。（b）V-W/TiO2和W/TiO2结构中W的PDOS。（c）0.5V-2.5W/TiO2催化剂在不同气氛下的拉曼结果。（d-f）0.5V-2.5W/TiO2催化剂在He、NH3和NH3+NO+O2气氛下的EXAFS小波变换图。（1和N1分别表示W与第一配位层中O原子间的平均原子间距和W-O配位数）。研究团队通过球差电镜、原位X射线谱吸收精细结构（XAFS）、原位拉曼（Raman）光谱等实验结合第一性原理计算发现，V-W/TiO2催化剂表面原子级分散且与V形成V-W双核位点的W=O物种表现出很高的氧化还原活性，可直接参与对NH3的摘氢活化过程，在SCR反应中发挥氧化还原作用。具体反应过程为：W位点对吸附态的NH3摘氢活化生成W-OH基团，活化后的NH3（即-NH2）与NO反应生成NH2NO，在此过程中，W=O转化为W-OH，导致W-O原子间距的增大。随后，生成的相邻V-OH和W-OH基团之间可通过H转移反应，复原W=O基团。这项研究深化了对助催化剂作用机理的理解，同时为高效钒基催化剂的设计与开发提供了新的理论依据和研究思路。图2. V-W/TiO2催化剂中WO3助剂在NH3-SCR反应中的氧化还原作用机理。中国科学院生态环境研究中心何广智研究员和贺泓院士为论文通讯作者，生态环境研究中心博士研究生李卓灿为论文第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（2023YFC3707303）、国家自然科学基金（22276202，22188102）和中国科学院青年创新促进会优秀会员项目的资助。论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202501957大气环境与污染控制实验室2025年5月23日

2025-05-23
李英明等在北极生态系统中有机磷酸酯的生物积累行为研究方面取得新进展

2025年4月，重点实验室张庆华研究组李英明等人在北极陆地与海洋生态系统中有机磷酸酯（OPEs）的生物富集与营养级传递研究方面取得新进展，相关研究成果以“Bioaccumulation and Trophic Transfer of Organophosphate Esters (OPEs) in Arctic Terrestrial and Benthic Marine Ecosystems”为题发表于Environmental Science & Technology (DOI: 10.1021/acs.est.4c13957)。OPEs作为传统卤代阻燃剂的重要替代品，近年来在全球范围内的生产和使用量呈现快速增长趋势。OPEs极易通过挥发、浸出等途径释放到环境中，并可能通过生物富集和放大效应对生态系统和人类健康构成潜在威胁。现有研究表明，OPEs具有长距离迁移特性，能够通过大气环流和海洋洋流等途径迁移至偏远地区。北极地区的人类活动和污染物的工业排放极少，为研究全球性污染物的环境迁移转化行为提供了理想场所。然而，目前关于OPEs在北极生态系统中的环境赋存特征与生物积累规律的认识仍存在显著不足，对其在极地环境中的迁移转化行为缺乏系统性评估。本研究对北极斯瓦尔巴地区土壤、植物、海洋沉积物与生物中的10种OPEs进行了检测分析。北极环境中OPEs的含量与其他地区相比仍处于较低水平，其中单体TEP、TCIPP、TCEP和TBOEP在多个介质中普遍占据优势。陆地环境中，OPEs的生物富集因子（BCF）计算结果远大于1，表明存在明显的生物富集行为。底栖海洋食物网中，∑10OPEs的营养级放大因子（TMF）为0.5，且大多数单体的TMF值均小于1，呈现显著的营养级稀释趋势。对数辛醇-水分配系数（log KOW）与logBCF、logTMF之间的相关性分析结果表明，中等亲脂性的OPEs单体具有较高的生物积累潜力。本研究首次对北极偏远地区生态系统中OPEs的生物富集规律和营养级传递行为进行了全面解析，为深入理解新污染物在全球尺度下的环境归趋和生态风险提供了重要的科学依据。论文第一作者为博士生董程，通讯作者为李英明研究员。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院先导专项B等项目的支持。环境化学与环境毒理重点实验室 2025年5月8日

2025-05-08
经典论文解读：源自车轮胎橡胶的化学物质可毒化河溪，导致鱼类急性死亡
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读：源自车轮胎橡胶的化学物质可毒化河溪，导致鱼类急性死亡解读人：陆达伟研究背景在美国西北太平洋沿岸，每年迁徙回城的成年银大马哈鱼（Coho salmon）在进入城市溪流产卵过程中频繁发生非感染性急性死亡事件，在部分城市化程度高的流域，该现象导致多达40–90% 的鱼群在产卵前死亡，严重威胁该物种的自然繁殖与保护工作。值得注意的是，如果碰巧赶上暴雨，在几小时内就会有大量银大马哈鱼死于非命。这让当地政府非常奇怪，把这件事情归因于“城市径流死亡综合症”（URMS），认为可能与城市水体被污染有关。但是究竟是哪种污染物具备如此剧烈的环境毒性仍是谜团。研究目标与方法该研究锁定水体旁城市道路中的汽车轮胎，利用效应导向分析（EDA）、液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）及核磁共振（NMR）等先进分析手段，锁定并验证了致死物质的结构与来源。研究对象为轮胎磨损颗粒渗滤液中可溶性组分，通过多轮色谱分离与生物实验（以幼年银鲑为模型），追踪其中的“毒性活性”成分。图1. 轮胎滤液色谱分离方案核心发现确定主要毒物：6PPD-醌（6PPD-quinone）。轮胎中广泛使用的抗氧化剂6PPD，在与大气臭氧反应后生成6PPD-醌这一全新结构的氧化产物；图2. 6PPD-醌的鉴别及其形成过程。(A) 6PPD-醌的液相色谱图；(B) 6PPD-醌的质谱图；(C) 6PPD-醌的形成过程。该产物对幼年银鲑具有极高急性毒性，致死浓度仅约为95 ng/L；实验中，暴露银鲑在4–6小时内死亡率高达100%，且行为表现与野外监测一致（如表面呼吸、失衡游动）。图3. 6PPD-醌化合物的剂量效应关系曲线。存在广泛的环境暴露：回顾性采样显示，在西雅图、旧金山、洛杉矶等美西主要城市雨水径流及溪流中普遍检出6PPD-醌，浓度多接近或超过致死阈值；尽管城市物理栖息地修复投入巨大，鱼类仍因“隐形化学污染”而无法恢复种群数量。图4. 路面径流和城市水样中6PPD-醌的浓度。研究意义与影响这项研究首次揭示了轮胎橡胶添加剂在环境中转化后所造成的严重环境毒性，为长期困扰科研界和管理部门的城市径流致死现象提供了明确答案：生态环境意义：建立了化学转化产物-急性毒性之间的“因果链条”，强调需评估商用化学品转化过程的生态安全性；污染源识别：指出轮胎微粒是环境中6PPD-醌的主要来源，尤其在雨天通过城市地表径流进入水体；监管与替代化学品：建议开发“绿色替代抗氧化剂”，并对人工草坪、城市基础设施的轮胎回收材料使用进行风险评估；方法学创新：展示了通过多维色谱-高分辨质谱-结构验证的联合策略在“未知污染物识别”中的高效性与前瞻性。该工作发表著名期刊Science，得到多伦多大学环境化学家Miriam Diamond教授等多位知名专家的高度评价，被引用601次（Web of Science）。作者简介：第一作者田振宇（Zhenyu Tian）博士，美国华盛顿大学塔科马分校城市水中心。值得一提的是，田振宇博士也是中心校友，毕业于中心环境化学与环境毒理全国重点实验室。通讯作者为美国华盛顿大学塔科马分校城市水中心环境化学家Edward P. Kolodziej教授。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd6951

2025-05-06
陆达伟等在NC发文揭示PM同位素大数据溯源应用
环境化学与生态毒理学国家重点实验室江桂斌院士团队陆达伟等在PM同位素大数据的溯源应用方面取得新进展，相关研究成果以“Blockchain-based isotopic big data-driven tracing of global PM sources and interventions”为题，发表于Nature Communications（DOI:10.1038/s41467-025-59220-4）。大气颗粒物（PM）污染是影响全球气候变化与公共健康的重大环境问题。准确识别PM的排放源及评估干预措施的有效性，是实现高水平大气环境保护的关键。然而，由于“干预→源→PM”之间存在复杂的非线性关系，仅依赖PM及其组分浓度来判断来源与干预效果，面临严峻挑战。为突破这一瓶颈，研究团队提出了一种基于PM同位素大数据的直接示踪策略。通过对全球1890起大气污染事件中采集的高维PM同位素数据进行综合分析，发现同位素指纹在全球跨时空大气污染溯源方面具有独立指示的优势。进一步，研究团队构建了不同PM组分的源同位素地图，并结合蒙特卡罗算法，解析了各区域PM组分的来源结构。进一步分析近20年的同位素大数据，揭示了PM不同组分的来源演变规律，识别出典型污染组分干预措施的实际效果。研究发现，PM组分的源排放与干预响应之间普遍存在不同步现象。据此，团队提出构建以同位素指纹为导向的干预动态调整系统，并探讨了未来在“双碳”背景下PM污染可能的发展趋势。本研究突破了传统PM同位素溯源方法受限于“单组分、单点位”分析，难以解释远距离传输和多组分复合污染的局限性。通过将环境同位素分析与先进数字技术深度融合，研究团队构建了一套适用于长时间尺度、大空间范围的多组分PM整体溯源的数据驱动方法体系，并成功实现了干预措施的化学指纹示踪。为确保PM来源识别与干预评估的准确性与可追溯性，团队基于区块链的同位素数据加密与存证技术，对全球范围内的PM及其潜在来源的同位素指纹信息进行加密管理。这一举措不仅提升了数据安全性，也为未来推动PM同位素领域的国际合作与数据共享奠定了可靠基础。图. 数据驱动的PM同位素溯源平台本研究由中国科学院生态环境研究中心牵头，联合山东大学、云南大学、德国马普化学研究所、南京大学、美国普渡大学、青岛大学、江汉大学等多家单位共同完成。论文第一作者为中国科学院大学中丹学院2021级博士生黄俞铭，通讯作者为中国科学院生态环境研究中心陆达伟研究员、山东大学宗政研究员和云南大学张静唯副教授。本研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划和中国科学院相关项目的资助。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-025-59220-4环境化学与生态毒理学国家重点实验室2025年4月29日

2025-04-29
低温介导锰基纳米制剂组装及其肿瘤成像与治疗
2025年4月，环境化学与生态毒理学国家重点实验室彭汉勇课题组在核酸纳米合成技术及其诊疗应用方向取得新进展，研究成果以“Spherical Nucleic Acids-Directed Cryosynthesis of Manganese Nanoagents for Tumor Imaging and Therapy”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。DNA酶（DNAzyme）作为一类具有催化功能的核酸分子，可通过特异性识别并切割肿瘤相关mRNA分子，在肿瘤的分子诊断与靶向治疗领域展现出革命性应用前景。然而其生物医学转化面临双重挑战：一方面，细胞内源性金属辅因子（如Mn2+）浓度难以满足DNAzyme激活的催化需求；另一方面，外源性补充的游离Mn2+因血液半衰期短及非特异性分布，导致其在病灶部位的有效富集度与治疗效能显著受限。针对上述瓶颈问题，研究者开发了基于二氧化锰（MnO2）或磷酸钙（Mn/Ca-PO4）的锰基纳米递送系统，通过肿瘤微环境响应机制（如谷胱甘肽介导的还原反应）实现可控释放活性Mn2+，同时延长其体内循环时间。但现行合成策略存在显著缺陷：材料制备过程中的掺杂工艺及高价态锰（Mn4+）的还原依赖性，导致Mn2+负载容量受限，且存在生物降解动力学迟缓、活性组分释放效率低下等问题。因此，开发简便可控的合成与释放策略，并构建新型高效多功能锰基纳米载体体系，成为当前实现DNAzyme精准诊疗效能最大化的亟待突破的关键问题。图多功能DNA模板化碳酸锰纳米颗粒（DtMnP）的制备与诊疗应用环境化学与生态毒理学国家重点实验室彭汉勇团队开发了一种温度调控的合成策略，用于制备多功能DNA模板化碳酸锰纳米颗粒（DtMnP）。该制备过程包含三个阶段：（1）以球形核酸（DNAzyme功能化的金纳米颗粒）为支架，通过磷酸配位实现Mn2+可控沉积，引发碳酸锰的异相成核；（2）通过调节温度来改变碳酸锰的溶解常数（Ksp），在液氮条件下快速冷冻促使纳米颗粒沿DNA模板生长；（3）冷冻干燥使纳米颗粒稳定，便于长期稳定保存，避免了传统纳米颗粒溶液常见的聚集问题。DtMnP具有pH响应性释放的特点，在肿瘤微酸环境条件（pH 5.5）下，60分钟内可释放出90%的Mn2+。释放的Mn2+具有双重功能：（1）触发磁共振成像（MRI）的信号放大，实现MCF-7肿瘤的成像，并具有良好的生物安全性；（2）通过DNAzyme介导的EGR-1基因沉默（使mRNA下调60%），并结合Mn2+催化的芬顿反应产生具有细胞毒性的羟基自由基实现化学动力治疗（使MCF-7细胞凋亡率达到45%），从而发挥协同治疗的功效。该温度调控型核酸导向合成策略创新性地建立了一种普适性平台技术，不仅实现了多功能纳米颗粒的可控构筑，更通过核酸序列的模块化与功能化设计构建了灵活可编程的载体系统，显著提升了诊疗功能元件的按需组装能力。这种兼具肿瘤微环境响应特性和结构稳定性的纳米体系，为发展"诊-疗"联动的一体化纳米制剂提供了创新性技术路径。该论文的第一作者为助理研究员谢文菁、硕士研究生郝强军和硕士研究生叶子，通讯作者为中国科学院生态环境研究中心彭汉勇研究员。该工作得到了国家重点研发计划、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项(B类) 、国家自然科学基金委面上项目、青年基金等项目的支持。Spherical Nucleic Acids-Directed Cryosynthesis of Manganese Nanoagents for Tumor Imaging and TherapyWenjing Xie+, Qiangjun Hao+, Zi Ye+, Rui Sha, Bei Wen, Hailin Wang, Hongquan Zhang, Guohua Jia, X. Chris Le, Guibin Jiang, and Hanyong Peng*Angew.Chem. Int. Ed. 2025, e202503004论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503004环境化学与环境毒理重点实验室2025年4月17日

2025-04-17
经典论文解读：建立污泥中胞外聚合物无损化学提取的标准化方法
“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。经典论文解读：建立污泥中胞外聚合物无损化学提取的标准化方法解读人：张伟军文章作者：Bo Frølund, Rikke Palmgren, Kristian Keiding, Per Halkjær Nielsen文章标题：Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin文献来源：Water Research被引次数：2043次（Web of Science）；2941次（Google Scholar）研究背景胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）是污泥中主要有机组分，以网络状结构包裹微生物细胞，对微生物的生存和污泥的理化性质具有重要影响。在不破坏微生物细胞和生物聚合物结构的前提下，非破坏性高效提取EPS是精确解析其化学组成和结构特性的先决条件。阳离子交换树脂通过置换阳离子导致污泥絮体分散，促使EPS释放到液相中。EPS阳离子交换树脂提取方法最早由Rudd等人提出，随后经过Per Halkjær Nielsen教授团队的系统研究，验证了方法的有效性和优越性，并进一步建立了用于提取污泥中EPS的标准化步骤。研究思路及核心发现研究思路研究通过设置不同条件（离子交换树脂投加量、搅拌强度、提取时间），以提取EPS含量、细胞完整性以及生物聚合物组分的结构变化作为量化指标，评估了阳离子交换树脂法对不同来源污泥中EPS的提取效能。研究发现，阳离子交换树脂提取法可以对EPS中的蛋白质、多糖、腐殖酸、DNA等生物聚合物组分实现高效提取，细胞裂解程度低，生物聚合物组分结构保持良好。研究总结了适用于不同研究目的提取操作参数，证明了阳离子交换树脂提取法再污泥EPS研究中的适用性和可靠性。核心发现1. 提取方法参数控制系统地研究了树脂添加量、搅拌强度与提取时间对EPS提取效率的影响。结果显示，当CER添加量为70 g/g VS、搅拌强度为900 rpm、提取时间超过12 h时，可获得较高的提取产率。另一方面，低速（600 rpm）、短时间（0.5-1 h）的提取模式适用于对细胞结构要求较高的温和提取。图1 碳水化合物、糖醛酸、蛋白质、腐殖物和DNA的提取量随提取时间的变化关系。实验条件为搅拌强度900 rpm，两种污泥CER添加量分别为65和85 g/g VS。2. 阳离子树脂提取法的效能与加热提取法（80 ℃）和碱提取法（pH=11）相比，CER法在蛋白、腐殖物、多糖等主要组分的提取效率显著提升。阳离子树脂法对蛋白质和腐殖酸具有很高的提取效率，能够提取污泥中50%的蛋白质和70%的腐殖酸。表1 三种不同提取方法的EPS提取率对比（浓度单位为 mg/g VS）3. 细胞和提取组分的结构变化通过细胞染色计数和胞内酶活监测，发现提取初期（1-2 h）细胞裂解较少；同时，HPSEC分析表明，提取过程中各类高分子组分保持较好的完整性，无明显降解或结构破坏，证明了CER法的温和性与结果可重复性。图2. 两种污泥不同提取时间的HPLC-SEC分析结果，提取时间分别为0.5、4、8和17 h，（A）和（B）分别为两种不同来源污泥，随着提取时间延长，紫外响应信号增强，EPS结构无明显变化图3. 污泥中细胞总数（DAPI染色）和具有呼吸活性的细胞数（CTC染色）随提取时间的变化研究领域地位研究总结的阳离子交换树脂提取法因其高效率和低细胞破坏率成为活性污泥EPS研究中最广泛使用的提取方法之一。该方法已被应用于颗粒污泥形成机制、膜污染控制、生物絮体稳定性等多个方向的研究，在环境微生物学与污水处理工程领域均产生重要影响。作者佩尔·哈尔克耶·尼尔森（Per Halkjær Nielsen）丹麦奥尔堡大学微生物群落多学科中心负责人，环境微生物领域的杰出教授，长期致力于生物污水处理系统的微生物生态学研究。现任国际水协会（IWA）战略委员会委员，IWA/ISME BioCluster主席。在环境微生物领域发表了超过650篇学术论文，引用次数超过53,000次。2010年获得丹麦皇室授予的丹尼布罗勋章（Ridder af Dannebrog），2021年获得国际水协会Ardern-Lockett奖。论文链接：https://doi.org/10.1016/0043-1354(95)00323-1

2025-04-09
刘睿课题组在Pd表面活性H行为研究取得重要进展
中国科学院生态环境研究中心刘睿课题组在活性H的生成和表面迁移行为原位追踪方面取得重要研究进展，该研究成果以“Reactive Hydrogen Species Behaviors on Pd/TiN: In situ SERS Guided Regulation for Chemoselective Hydrogenation”为题，在线发表于Angew Chem Int Edit期刊上，并被选为热点文章（Hot paper）。作为催化加氢还原反应的关键步骤，活性H生成与迁移过程不仅直接影响贵金属催化剂的利用效率，更是调控产物选择性的基础。H2的解离和表面迁移过程非常复杂，不仅存在均列和异裂两个不同的解离方式, 生成的H物种还可以跨界面传输，迁移到载体表面，即所谓H-溢流过程。作为最小的, 且高度活泼的分析物，活性H物种分析和追踪颇具挑战性。为解决这一难题，刘睿课题组提出一种基于化学键示踪的策略，用于追踪活性氢的动态行为：H₂在Pd表面解离后形成Pd-H键，当活性H迁移至载体表面时则会形成对应的化学键（如在氮化物表面形成具有特征振动光谱的N-H键）。通过监测νPd-H振动峰可追踪H₂的解离过程，而νN-H振动峰则能指示活性H向TiN载体的迁移路径，从而实现通过N-H键对活性氢的示踪。结合原位光谱实验和理论计算，研究发现Pdₙ团簇位点在H2/D2解离、H/D向TiN转移以及H/D*在TiN表面迁移这三个关键过程中均展现出最低的能垒,可能是较为理想的催化加氢位点。图. 利用νN-D/νPd-D比值定量Pd1与Pdn位点相对丰度。基于上述结果，研究发展了以D2分子为探针，利用νN-D/νPd-D比值作为结构判据的原位SERS解析Pd位点结构新方法。通过该方法系统分析了不同合成方法制备的Pd/TiN催化剂，筛选了合成富集单原子（Pd1）和团簇（Pdₙ）的催化剂的方法。催化研究表明，Pd1/TiN催化剂通过异裂解离H₂和选择性还原硝基，在卤代硝基苯加氢反应中展现出卓越性能，可实现99.5%的卤代苯胺选择性。而Pd1/TiN催化剂在苯酚加氢反应中表现出独特的双功能特性：Pd团簇高效解离H₂产生活性氢物种（H-溢流效应），TiN作为反应中心催化苯酚加氢，二者协同作用实现了室温常压下的超高效率（>99.9%环己酮选择性，TOF>30min-1）。这一研究不仅揭示了Pd位点结构对活性H行为影响的机制，建立了Pd活性位点的光谱表征新方法，更为深入研究催化过程中的“合成—结构—活性”关系提供了参考。中国科学院生态环境研究中心博士研究生张小玲为论文第一作者，刘睿研究员为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金以及中科院青促会优秀会员的支持。环境化学与环境毒理重点实验室2025年4月1日

2025-04-01
刘睿课题组高精度温度场分布测量及表界面反应机制研究取得进展
2025年3月，刘睿课题组发展了基于表面增强拉曼光谱（SERS）的表—界面亚微米尺度温度场分布测量方法，该方法为深入研究反应发生在表面还是界面这个有趣的问题提供了新的思路。相关研究以“Surface-Enhanced Raman Spectroscopy-Based Spatial Temperature Profiling in Space-Confined Hollow Carbon Nanospheres for a Reaction Mechanism Study”为题，发表于Analytical Chemistry期刊。温度是最基本的物理化学参数之一，通过温度调控反应速率也是化学工程、能源转换及环境治理等领域常用的策略。近年来研究还发现，通过近场光热效应可以显著提升局部温度，精准加快限域空间内的化学反应速率。然而，传统测温技术普遍存在空间分辨率和灵敏度不足的问题，难于满足亚微米的限域空间温度场的高灵敏分析。本研究结合金纳米颗粒的亚微米级空间定位特性与对温度敏感的苯异腈分子，成功构建了亚微米分辨率的表——界面空间温度测量方法。基于构建纳米传感器系统，深入解析了中空碳纳米球（HCNS）在光热转换过程中内部、外表界和体相溶液的温度梯度分布。利用发展的方法，研究证实了太阳辐照条件下HCNS纳米腔内部存在显著温升现象，并揭示出纳米腔与表面间的显著温差。结合温度场空间分布特征，以及反应动力学与温度间的关系，研究明确单原子铁活化过一硫酸盐氧化苯酚反应发生在催化剂-溶液的界面，而不是催化剂表面。该工作不仅为SERS纳米温度传感器设计提供了新思路，更通过反应位点空间定位为机理研究开辟了新维度。该工作获得中国科学院战略性先导专项B、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会的资助。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.4c06321

2025-03-31
栾富波课题组在地下水中砷铀同步去除方面取得进展
中国科学院生态环境研究中心栾富波课题组在地下水中砷铀同步去除方面取得进展，提出了TiO2–U(VI)–As(V)三元表面络合新机制，成功实现了地下水中砷和铀的高效同步去除。相关研究成果“Ternary surface complexation promotes simultaneous removal of arsenic and uranium by TiO2”为题发表于PNAS（2025,122 (12) e2501354122）。由于地球化学作用，原生含砷和铀地下水分布广泛，对饮用水安全构成了潜在威胁。传统处理方法通常可单独去除砷或铀，但在两者共存情况下，这些方法往往去除效果不佳。研究发现，{001}-TiO2能够高效同步去除地下水中砷和铀。铀的存在显著增强了砷的吸附效率（3.4倍），极大地增强了砷和铀的协同去除效果。原位ATR-FTIR光谱结果表明，三元表面络合物（TiO2–U(Ⅵ)-As(V)）的形成是砷和铀协同去除的关键机制。具体而言，As(V)能够有效取代{001}-TiO2表面吸附U(Ⅵ)-CO32−络合物中的CO32−配体，并促成该三元络合物的生成。密度泛函理论（DFT）计算进一步证明了三元络合物形成过程的热力学可行性。此外，使用后的TiO₂材料可简单再生，经过重复使用后仍能保持优异的吸附容量和动力学性能。上述研究不仅揭示了砷和铀在矿物界面上的复杂作用机制，更为解决地下水中砷和铀同步去除难题提供了解决方案。TiO2–U(Ⅵ)-As(V)三元络合物形成机理中国科学院生态环境研究中心博士研究生林雷鸣和博士研究生李正为论文共同第一作者，生态环境研究中心栾富波研究员和孟颖助理研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2501354122环境水质学国家重点实验室2025年3月27日

2025-03-27

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