新聞動(dòng)態(tài)魏洪燕、陳情澤等-EST：黏土礦物對(duì)Fe(II)催化水鐵礦相轉(zhuǎn)化的影響及其制約機(jī)制
?納米礦物（含礦物納米顆粒）廣泛分布于反應(yīng)活躍、構(gòu)成復(fù)雜的地球表層環(huán)境中，具有種類多、含量大、活性強(qiáng)等特點(diǎn)，其生成機(jī)制、微觀結(jié)構(gòu)、表面反應(yīng)性、相轉(zhuǎn)變過程以及參與的重要地質(zhì)地球化學(xué)過程等，近年來受到礦物學(xué)與相關(guān)領(lǐng)域?qū)W科的共同關(guān)注，已成為礦物學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。
?水鐵礦作為Fe(III)水解過程中最先形成的鐵（氫）氧化物，是一種普遍存在于地表環(huán)境中的納米礦物，其表面反應(yīng)活性強(qiáng)且易發(fā)生相轉(zhuǎn)變。水鐵礦的相轉(zhuǎn)變過程能顯著影響地表含鐵礦物的分布與組成，進(jìn)而改變鐵元素的全球循環(huán)和生物可利用性，并能通過復(fù)雜的表/界面作用過程影響其他元素的遷移轉(zhuǎn)化，具有重要的環(huán)境和地球化學(xué)意義。研究表明，F(xiàn)e(II)能顯著加速水鐵礦的轉(zhuǎn)化過程，可在短時(shí)間內(nèi)制約鐵（氫）氧化物形成及共存元素歸趨，近年來受到了人們的廣泛關(guān)注。黏土礦物是自然界中廣泛分布的另一類典型納米礦物，其比表面積大、反應(yīng)活性高，在自然環(huán)境中常常與水鐵礦形成異質(zhì)聚集體。然而，黏土礦物對(duì)Fe(II)催化水鐵礦相轉(zhuǎn)化過程的影響及其作用機(jī)制仍不清楚。了解該過程的微觀機(jī)制有助于加深我們對(duì)地表環(huán)境中鐵（氫）氧化物形成過程的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為預(yù)測(cè)其他共存元素的歸趨提供理論基礎(chǔ)。
?針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所礦物學(xué)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了黏土礦物在還原條件下對(duì)Fe(II)催化水鐵礦相轉(zhuǎn)化過程的制約，重點(diǎn)考察了黏土礦物種類（蒙脫石Mnt、伊利石Ilt、高嶺石Kln）及黏土礦物和水鐵礦（Fhy）的復(fù)合方式（二者物理混合（Fhy&clay）、在黏土礦物表面原位生長(zhǎng)水鐵礦（Fhy/clay））的影響，主要得到以下認(rèn)識(shí)：
?（1）黏土礦物通過分散水鐵礦團(tuán)聚體，加速其與Fe(II)的體相電子轉(zhuǎn)移，促進(jìn)轉(zhuǎn)化中間產(chǎn)物活性Fe(III)產(chǎn)生，并提升其在礦物表面的平均濃度，進(jìn)而改變水鐵礦的轉(zhuǎn)化速率和產(chǎn)物類型（圖1）；（2）與伊利石和高嶺石相比，蒙脫石由于具有更高陽離子交換能力，可通過離子交換過程直接吸附Fe(II)或活性Fe(III)，降低Fe的可利用性并延緩其再結(jié)晶過程（圖2），這使蒙脫石體系中活性Fe(III)可長(zhǎng)期保留，且不生成磁鐵礦；（3）黏土礦物可作為模板誘導(dǎo)特殊形態(tài)鐵（氫）氧化物生成，如星狀孿晶針鐵礦和六方片狀磁鐵礦（圖3）。
?上述結(jié)果表明，黏土礦物可通過復(fù)雜的機(jī)制顯著影響Fe(II)催化水鐵礦的轉(zhuǎn)化速率、產(chǎn)物類型及形貌特征（圖4）。本研究從原子/分子尺度闡明了黏土礦物在調(diào)控水鐵礦相變過程中的復(fù)雜機(jī)制，對(duì)理解不同鐵（氫）氧化物的形成及預(yù)測(cè)共存污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程具有重要意義。
?本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目（42225203）、國(guó)家自然科學(xué)基金（42272045、42302033、41902040）、廣東省杰出青年基金（2023B1515020006）等項(xiàng)目聯(lián)合資助。相關(guān)成果近期發(fā)表于Environmental Science & Technology。
?論文信息：Wei H. (魏洪燕), Wei S. (韋壽淑), Chen Q.* (陳情澤), Yang Y. (楊奕煊), Liu X. (劉洵), Long S. (龍?jiān)娗?, Liu J.* (劉晶), Zhu J. (朱建喜), Zhu R. (朱潤(rùn)良) (2025) Nano-Scale Insights into Clay Minerals Regulating the Fe(II)-Catalyzed Ferrihydrite Transformation under Anoxic Conditions. Environmental Science & Technology. 59, 3982-3991.
?論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.4c11232?
圖1 不同體系中水鐵礦的轉(zhuǎn)化速率、產(chǎn)物類型及含量
圖2 不同體系中Fe(II)、活性Fe(III)濃度變化
圖3 黏土礦物表面星狀孿晶針鐵礦和六方片狀磁鐵礦的微觀結(jié)構(gòu)分析
圖4 黏土礦物制約Fe(II)催化水鐵礦相轉(zhuǎn)化的機(jī)理示意圖
