在国家自然科学基金等项目资助下，中国科学院广州地球化学研究所研究员朱建喜团队借助反应力场模拟，成功揭示了黄铁矿-水界面在厌氧条件下产生活性氧的分子机制，相关成果近日发表于《地球化学与宇宙化学学报》（Geochimica et Cosmochimica Acta）。

在距今约23-24亿年前大氧化事件前夕，地球长期缺氧。此时，黄铁矿与水在界面反应中产生活性氧的现象，为理解早期地球化学演化及生命起源提供了关键线索。然而，界面反应的瞬态中间产物难以通过实验捕获，黄铁矿-水界面活性氧生成的动力学过程一直未明。

为厘清这一复杂动力学过程及微观机制，研究人员采用ReaxFF分子动力学模拟方法，系统研究了黄铁矿不同缺陷晶面与水反应中，氧气、过氧化氢和羟基自由基等含氧物种的微观生成路径。

基于前期DFT计算结果，研究选取黄铁矿{100}-V5、{100}-V8和{111}-2S晶面开展模拟。结果显示，厌氧条件下活性氧生成分三步：一是氧气生成，高氧化电位的黄铁矿表面氧化表面羟基或水分子，生成分子氧；二是过氧化氢生成，生成的氧气进一步氧化黄铁矿表面形成过氧化氢；三是多种活性氧生成，过氧化氢与黄铁矿表面反应，生成超氧自由基、羟基自由基等活性氧物种，且通过CI-NEB方法得出氧气在黄铁矿表面生成的最佳反应路径历经多种过渡态。

在氧气进一步氧化黄铁矿表面的模拟中，仅一条路径观察到过氧化氢生成，整个生成、吸附和解离过程不到500飞秒，过氧化氢中的氧原子源于氧气分子，氢原子源于吸附水分子。此外，研究人员对过氧化氢氧化黄铁矿表面生成的超氧自由基、氧气和羟基自由基进行详细动力学分析，跟踪反应轨迹，明确了具体反应途径及不同途径间的区别。

进一步分析模拟结果后，研究人员提出，黄铁矿不同缺陷晶面间的电势差是驱动表面羟基和水氧化生成氧气的内在动力。模拟结果还表明，黄铁矿-水界面反应是此前被忽视的氧化能力来源，其产生的高氧化性物种可能直接推动早期地球氧化进程，并通过对硫循环和微生物过程的深刻影响，间接加速行星尺度的氧化转变。这一发现明确了矿物-水界面反应在地球氧化历史中的关键作用，为理解地球从无氧到有氧环境的演化机制提供了新视角。

该研究从原子尺度揭示了黄铁矿-水界面反应产生活性氧的动力学过程，为早期地球“氧气绿洲”形成机制提供了新解释，表明黄铁矿在无氧环境中可作为局域氧化剂，可能促进了早期生命演化与地球氧化进程的启动。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.018