“看见”铁原子氧化过程：实验室首次在原子尺度揭示金属铁氧化机制

近日，实验室黄建宇教授、田永君院士团队在金属铁氧化机制研究领域取得重要突破。研究团队借助原位环境扫描/透射电子显微镜（ETEM/ESTEM）技术，首次在原子尺度下实时观测了金属铁在氧气环境中的氧化过程，揭示了铁氧化过程中关键相变路径及原子迁移机制。

相关成果以“Visualizing the Hidden Atomic Pathways of Iron Oxidation”为题，于2026年6月10日在线发表于国际权威期刊《Journal of the American Chemical Society》（JACS）。

铁的氧化过程不仅关系到钢铁材料服役过程中的腐蚀失效，也广泛涉及能源、催化和材料制备等重要领域。然而，由于氧化过程发生在纳米尺度甚至原子尺度，其动态演化机制长期难以直接观测，铁氧化过程中氧化物如何形成、相变如何发生以及金属原子如何迁移等关键问题一直存在争议。

本研究利用先进原位电子显微技术，首次直接捕获了铁氧化从初始阶段到稳定氧化层形成的完整演化过程。研究发现，金属铁氧化首先起始于表面氧吸附过程，并形成初始FeO氧化层。当FeO层达到临界厚度后，FeO到Fe₃O₄的相变并非发生在气-固表面，而是在FeO/Fe界面处启动。

进一步研究表明，该界面相变驱动了Fe原子持续向表面扩散，使不断增长的Fe₃O₄氧化层表面持续形成并保持FeO层，最终形成FeO/Fe₃O₄/Fe三层结构。

这一发现突破了传统观点中“氧化态沿气-固方向逐渐升高”的认识，即Fe₂O₃/Fe₃O₄/FeO/Fe结构模型，揭示了铁氧化过程中由界面驱动的反常相变机制，为深入理解金属Fe氧化的原子起源和相变演化过程提供了关键实验依据。

图 1  Fe在200 °C，氧气分压为3 × 10^-4 Pa条件下，FeO/Fe₃O₄界面处FeO向Fe₃O₄的转变，相变过程中，氧化层表面同时形成新的FeO层。最终形成FeO/Fe₃O₄/Fe三层结构。

图 2  原子尺度下，Fe在氧气环境中原位形成FeO/Fe₃O₄/Fe三层结构。

本研究获得国家自然科学基金（No.52288102）、河北省自然科学基金（No.B2024203054）等项目资助。燕山大学材料科学与工程学院涂炜博士、中国科学院上海高等研究院张硕祺博士、中国科学院大学曾臻博士、东方理工大学韩韶波副研究员为共同第一作者；实验室黄建宇教授、田永君院士、中国科学院大连化学物理研究所刘伟研究员、中国科学院上海高等研究院高嶷研究员、美国纽约州立大学周光文教授、中国科学院大学孙宪虎副教授为共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c05320。