黏土礦物調控Fe(II)催化水鐵礦相變機制獲揭示

近日，中國科學院廣州地球化學研究所礦物學團隊在國家自然科學基金等項目的資助下，研究揭示了黏土礦物對Fe(II)催化水鐵礦相轉化的影響及其制約機制。相關成果發表于《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）。

納米礦物（含礦物納米顆粒）廣泛分布于反應活躍、構成復雜的地球表層環境中，具有種類多、含量大、活性強等特點，其生成機制、微觀結構、表面反應性、相轉變過程以及參與的重要地質地球化學過程等，近年來受到礦物學與相關領域學科的共同關注，已成為礦物學研究的前沿領域。

黏土礦物制約Fe(II)催化水鐵礦相轉化的機理示意圖。研究團隊供圖

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境中的納米礦物，其表面反應活性強且易發生相轉變。水鐵礦的相轉變過程能顯著影響地表含鐵礦物的分布與組成，進而改變鐵元素的全球循環和生物可利用性，并能通過復雜的表/界面作用過程影響其他元素的遷移轉化，具有重要的環境和地球化學意義。

研究表明，Fe(II)能顯著加速水鐵礦的轉化過程，可在短時間內制約鐵（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、反應活性高，在自然環境中常常與水鐵礦形成異質聚集體。

然而，黏土礦物對Fe(II)催化水鐵礦相轉化過程的影響及其作用機制仍不清楚。了解該過程的微觀機制有助于加深我們對地表環境中鐵（氫）氧化物形成過程的認識，同時也為預測其他共存元素的歸趨提供理論基礎。

針對上述問題，研究團隊系統研究了黏土礦物在還原條件下對Fe(II)催化水鐵礦相轉化過程的制約，重點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）的復合方式（二者物理混合（Fhy&clay）、在黏土礦物表面原位生長水鐵礦（Fhy/clay））的影響，主要得到以下認識：

一是，黏土礦物通過分散水鐵礦團聚體，加速其與Fe(II)的體相電子轉移，促進轉化中間產物活性Fe(III)產生，并提升其在礦物表面的平均濃度，進而改變水鐵礦的轉化速率和產物類型；二是，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晶過程，這使蒙脫石體系中活性Fe(III)可長期保留，且不生成磁鐵礦；三是，黏土礦物可作為模板誘導特殊形態鐵（氫）氧化物生成，如星狀孿晶針鐵礦和六方片狀磁鐵礦。

上述結果表明，黏土礦物可通過復雜的機制顯著影響Fe(II)催化水鐵礦的轉化速率、產物類型及形貌特征。

該研究從原子/分子尺度闡明了黏土礦物在調控水鐵礦相變過程中的復雜機制，對理解不同鐵（氫）氧化物的形成及預測共存污染物的遷移轉化過程具有重要意義。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c11232