复旦环境学科三十周年｜张立武：解码气-液界面化学密码，开创大气微液滴与环境微塑料检测新范式
发布时间：2026-10-23
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三十而立，薪火赓续。自建系以来，复旦大学环境科学与工程系始终锚定国家生态文明建设重大战略需求，一代代复旦环境人笃志求索、孜孜不怠，以实际行动服务美丽中国建设。
在地球关键带的物质循环网络中，气-液界面扮演着极其特殊而又长期被忽视的角色。云雾、气溶胶、地表水体、土壤孔隙这些看似“边界”的微观区域，实际上是一个厚度仅纳米级、各向异性显著的独特化学反应场：水分子氢键网络在此重构，溶剂化层不完整，界面电场悄然存在，分子取向也发生特异性排列。这些微观特征赋予了气-液界面截然不同于宏观体相的反应活性，它可能大幅降低反应能垒，甚至催生体相中根本不会发生的特异性反应。
然而，由于气-液界面尺度微小、演化迅速、组分复杂，科学界始终缺乏原位、高灵敏的表征手段。《Science》曾将“微观层面测定界面现象”列为世界最前沿的125个重大科学问题之一。这种认知空白直接导致了一个现实困境：我国大气复合污染治理长期面临“二次转化机制不清”的挑战：模型对二次硫酸盐、二次有机气溶胶（如棕色碳）的生成速率存在明显低估，重污染预警频频失准。
复旦大学环境科学与工程系张立武教授团队，正是这一交叉前沿领域的开拓者。团队以大气中悬浮的微液滴气溶胶为关键研究载体（其“界面/体相”分子比远超宏观水体，界面效应在此不再是微不足道的修正项，而是主导反应动力学的关键因素），同时将研究视野延伸至环境微塑料/纳米塑料这一新污染物领域，两条看似独立的研究线索，实则共享同一个技术内核—高时空分辨的原位光谱成像。凭借这套自主构建的技术体系，他实现了从“能不能看见”到“看得多准、多快、多深”的跨越，为解释污染物界面转化过程、阐明大气复合污染成因提供了一系列决定性的实验证据。
突破一：
【理论创新】揭示气-液界面的“隐藏梯度”，终结长期学术争议
科学发现：
气-液界面究竟是“更酸”还是“更碱”？这是大气化学与界面科学领域悬而未决多年的争议焦点。张立武团队自主搭建了国内领先的拉曼散射显微成像系统，将成像速度从传统拉曼的数小时压缩到几秒钟，空间分辨率提升至百纳米级，首次实现了单个气溶胶颗粒的三维化学成像，清晰“看到”了硫酸盐、硝酸盐与有机质在颗粒物内部呈现的不同混合状态。
在此基础上，团队利用SO42-与HSO4-的化学平衡建立了空间分辨的pH定量测量新方法，最终给出了一份“决定性的实验证据”：微液滴表面pH比中心低1个单位以上，小液滴（<5 μm）的pH梯度甚至可达3个单位——液滴表面存在着此前难以想象的强酸性微环境。团队进一步利用分子振动的Stark效应，基于表面增强拉曼技术首次实现了气-液界面电场的原位定量测量，测得界面电场高达~108 V/cm，与理论预测值基本吻合，填补了长期以来仅靠理论推演而缺乏直接实验证据的空白。
图1. 微液滴物质分布及pH值的
受激拉曼三维化学成像
突破二：
【方法/技术创新】给纳米塑料“拍高清照”—表面增强拉曼检测新方法
大气、水体、土壤中广泛存在的纳米微塑料，因比表面积巨大、理化特性特殊，其生态毒理学风险备受关注。但检测这些“纳米级碎片”却异常困难：常规拉曼信号弱、组份信息难以获取，尤其对<1 μm的纳米塑料几乎“束手无策”。
技术原理解析：
张立武团队创新性地提出采用具有倒金字塔型凹槽结构的金基底（Klarite）承载单颗粒纳米塑料。这种独特的几何结构不仅非常适合捕获亚微米级颗粒，其凹槽还能高效富集电磁场，从而大幅增强纳米塑料的拉曼信号。基于此，团队首次在大气环境中检测到纳米塑料，单颗粒可检出尺寸小至100纳米。随后，团队又基于V型纳米孔结构，开发出一种低成本、热点分布均一的新型SERS基底，进一步降低了检测门槛，为环境介质中更小尺寸纳米塑料的检测提供了新路径。新方法实现了拉曼信号超过1000倍的增强，检测下限从微米级推进到百纳米级；配合受激拉曼技术，还实现了微塑料颗粒的三维化学成像及数浓度的快速定量，成像效率相较传统方法大幅提升。
这一技术积累也获得了国际认可：张立武与英国合作者凭借“环境微/纳塑料拉曼光谱检测系统开发”共同获得英国皇家学会国际合作奖（International Collaboration Awards），用于推动该技术的产业化与国际合作研究。
图2. 倒金字塔金基底SERS检测原理图及
纳米塑料拉曼信号增强效果图
突破三：
【机制解析】界面如何“加速”大气化学反应？
在建立起完整的界面表征技术体系后，张立武团队进一步揭示了界面浓度梯度、pH梯度与电场效应如何协同加速大气自由基化学。例如，Fe(III)-草酸盐光化学反应在微米级液滴中的速率较体相加速可达数百倍——团队通过量化草酸根的界面富集因子（5–10倍）与O2扩散时间，揭示了“高浓度反应物+高效传质”协同加速的分子机理。团队还发现气-液界面能够显著延长水合电子寿命，并证实含矿尘微液滴的气-液-固三相界面电场能有效分离光生电子-空穴对，催生比体相反应快数个量级的·OH生成速率——这一发现填补了当前大气氧化性来源认知的重要缺口。
智库支撑与模型迭代：
从“体相”到“界面”的
大气化学模型升级
张立武团队将上述界面反应机制系统纳入全球大气化学模型（GEOS-Chem），推动模型完成从第二代（气相+多相化学）向第三代（“气相-多相化学-界面化学”协同）的关键演进。新模型充分考虑了气溶胶粒径、水含量、光照等真实环境因素的耦合影响，显著提升了模拟精度：以上海、郑州等地重污染事件为例，考虑界面过程后，模型对硫酸盐生成的预测偏差从−58%大幅收窄至−12%。这意味着，未来的空气质量预警系统将能够更准确地捕捉二次污染物的“爆发式”生成过程，为重污染应急管控和精准科学决策提供关键支撑。
张立武担任“液滴与气-液界面化学”高登会议（Gordon Research Conference）共同主席—这是该领域邀请制的国际顶级学术会议；同时担任第二届全球大气化学研究计划（IGAC）中国工作组成员，在国际学术议程设置中发挥着重要作用。他还担任英国皇家化学会期刊《Environmental Science: Advances》副主编，以及创刊于1800年的英国皇家学会会刊《Proceedings of Royal Society A》编委（中国区4位编委之一）。
在人才培养方面，其指导的研究生已累计5人次获得清华大学钱易院士奖学金、北京大学唐孝炎院士奖学金、同济大学高廷耀基金会青年杰出博士生奖学金，其中1名博士研究生获得国家自然科学基金青年学生项目及延续资助，展现出团队扎实的科研育人成效。
站在已取得成果的基础上，张立武团队正将研究视野进一步拓展至气候变化背景下污染物气-液界面转化及大气环境效应这一前沿命题。全球气候变暖正在从微观尺度上衍生出一系列传统大气化学参数化方案尚未触及的“气候驱动型非理想气-液微界面”：
永久冻土快速融化暴露出富含古老溶解性有机质（DOM）的微界面，海洋表面微层（SML）的组成也因增温而改变，直接影响VOCs和温室气体的初级排放；
气候变暖增强了大气持水能力，静稳高湿天气频发，气溶胶吸湿增长形成极高离子强度、极低pH值的非理想动态液膜；
· 高空层：
极端低温与对流增强驱动云滴/气溶胶频繁经历冻融循环，冰晶表面的准液层（QLL）构成兼具独特分子取向与限域效应的极端高活性界面。
团队攻坚方向
针对上述三类新型界面，团队计划构建“地表—对流层—高空”垂直递进的系统研究方案：探明冻土/海洋DOM的光-芬顿协同泵送机制、解析高湿气溶胶液膜自发极化电场驱动的二次污染非线性生成规律、揭示冰晶准液层冻结浓缩效应下的“低温反常催化”路径，并最终将三类界面的关键动力学参数耦合进区域空气质量模型（WRF-Chem/CMAQ），实现从微观分子机制到宏观气候-污染协同效应的定量关联，为国家“减污降碳协同增效”战略提供坚实的界面动力学科学支撑。
张立武，复旦大学环境科学与工程系教授，2009年博士毕业于清华大学化学系，先后在德国汉诺威大学（洪堡学者）、英国剑桥大学物理系（欧盟玛丽居里学者）从事博士后研究。长期致力于环境颗粒物污染与气-液界面化学研究，近五年以通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.（6篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、PNAS、Chem、Science Advances、Environmental Science & Technology（9篇）等国际权威期刊发表论文50余篇，累计发表论文160余篇，他引15000余次。曾获2019年首届中国化学会青年环境化学奖、2020年英国皇家学会国际合作奖、2017年教育部自然科学一等奖（排名第四）、2018年英国皇家化学学会Emerging Investigator等荣誉。
王涛，复旦大学环境系副研究员，从事大气环境化学研究，关注气候变化背景下的环境界面化学。已发表论文80余篇，总被引3000余次，H指数为29。以第一/通讯作者身份在JACS、EST、ACP、JGR等期刊上发表论文30余篇；相关成果被英国《卫报》（The Guardian）专题报道；相关论文入选 RSC Emerging Investigator Series，被选为期刊正封面，并获期刊年度最佳论文奖。主持国家自然科学基金青年、面上项目、北京市企业家环保基金会（SEE）公益慈善项目、上海市基础研究计划“自然科学基金”项目、以及中国博士后科学基金特别资助项目和面上项目。担任Nature Communication, One Earth、ES&T 等期刊审稿人。
