作者：Xinyue Zhang, Jian Zhou, Shanshan Lin, Detong Kong, Guojie Zhou, Xiao-Nan Wu, Dingding Lv*, Xiaoyan Sun*

01 论文信息

论文信息

Xinyue Zhang, Jian Zhou, Shanshan Lin, Detong Kong, Guojie Zhou, Xiao-Nan Wu, Dingding Lv and Xiaoyan Sun. Recent advances and applications of soft-ionization mass spectrometry in electrochemical transformations[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.07.003

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Recent advances and applications of soft-ionization mass spectrometry in electrochemical transformations

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Green Carbon文章 | 软电离质谱助力电化学转化研究新进展

02 背景简介

电化学转化在能源转化与存储、化学合成以及环境治理中具有核心地位，但其反应过程复杂，涉及多步电子转移与多种短寿命中间体，传统表征手段（如光谱、电化学曲线分析等）难以揭示关键机理。软电离质谱（Soft Ionization Mass Spectrometry, SI-MS）凭借高灵敏度、低碎片化、实时检测等优势，逐渐成为解析电化学反应机理的有力工具。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所孙晓岩研究员团队于Green Carbon发表题为“Recent advances and applications of soft-ionization mass spectrometry in electrochemical transformations”综述论文，系统总结了软电离质谱在电化学转化研究中的最新应用与发展趋势。文章梳理了从热喷射电离、电喷雾电离（ESI）到环境电离（如DESI、DART、MALDI等）的技术演化历程，并深入分析了这些方法在水氧化、CO₂电还原、氧还原反应及有机电化学合成中的关键作用与研究进展。

03 文章简介

软电离质谱的基本概念与体系构建

软电离质谱通过温和的电离方式将反应中间体直接引入质谱仪，避免了分子碎裂与结构信息损失。其典型装置包括独立流动电化学池与电喷雾离子源耦合系统，以及集成于喷雾毛细管内的三电极体系，实现了对短寿命中间体的实时监测与定量分析。

图1. 软电离质谱在电化学反应监测中的应用

水裂解反应中的应用

软电离质谱可实时捕获水氧化反应（OER）关键中间体，如[Ru(H₂O)]²⁺、[Ru(OH)]²⁺、[Ru(O)]²⁺、(L²⁻)CoIIIOH 和(L²⁻)CoIIIOOH，揭示质子-电子耦合转移（PCET）机理，为高效氧析出催化剂的开发提供依据。

图2. 水氧化反应（OER）关键中间体检测

CO₂电还原反应（eCO₂RR）

通过电化学-ESI软电离质谱联用，可实时追踪Co基配合物中间体 [(TPA)CoI(CO)]⁺等结构，揭示CO₂还原生成甲酸与甲醇的多电子转移路径。

图3. 电化学-软电离质谱装置及检测示意图

氧还原反应（ORR）

软电离质谱成功鉴定CoTPP催化氧还原的过氧中间体( Co–O₂ )TPP、( Co–OH )TPP，明确其四电子还原机理，为燃料电池催化剂研究提供理论支撑。

图4. 液-液界面ORR示意图

有机电化学转化

基于DESI、SSI、nanoESI等离子化手段，研究者捕获了寿命仅为微秒的自由基阳离子与偶联中间体，揭示C–N偶联、脱氢环化及Suzuki偶联等反应的关键机理，展示了软电离质谱在反应筛选与路径解析中的强大潜力。

图5. DESI实时监测装置

总结与展望

软电离质谱技术正成为电化学机理研究的核心工具，能够以毫秒级时间分辨率揭示反应中间体的动态演化。未来，软电离质谱与微流控、人工智能、光谱电化学技术的深度融合将进一步提升时间与空间分辨率，实现复杂反应体系的原位可视化分析。该研究为电催化、能源转化及绿色化学提供了重要的技术参考与发展方向。

04 作者简介

孙晓岩 研究员

孙晓岩，博士、研究员、博士生导师，中国科学院青岛生物能源与过程研究所“团簇化学与能源催化”研究组组长，Green Carbon主编助理、青年编委。2015年至2020年，先后在德国柏林工业大学化学系和马普化学能源转化研究所从事博士后研究。2020年获山东省人才称号；2021年入选国家级海外青年人才计划。团队目前主要从事基于质谱技术和理论模拟的团簇催化研究，并取得了一系列创新性的成果，相关论文发表在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、ACS Catal.等国际学术期刊上。

吕丁丁 助理研究员

吕丁丁，博士、助理研究员，Green Carbon青年编委，中国科学院青岛生物能源与过程研究所“团簇化学与能源催化”课题组成员，2022年博士毕业于意大利博洛尼亚大学化学系，同年进入复旦大学化学系博士后工作站，于2024年加入“团簇化学与能源催化”团队，主要从事团簇化学和质谱仪器方法开发工作，相关成果发表在J. Phys. Chem. Lett、 Phys. Chem. Chem. Phys.、Electrochim. Acta.等化学领域重要期刊。

05 Green Carbon

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