铁是地球上第四丰富的元素，它可以与C、N、O、S等元素形成络合物，是几乎所有生物 必需的元素。同时二价与三价铁之间的氧化还原反应是影响营养元素和重金属生物地球化学循环的重要因素之一。因此，了解和揭示这些含铁矿物在自然环境中的转化和结晶机制至关重要。
以往的研究表明，矿物转化发生在实验条件下，通常需要高温高压、特定的pH值和更高 的铁浓度。通过对结晶机制（Ostwald ripening和Oriented attachment）的研究，发现成核的自由能势垒的大小是决定粒子性质和产生粒子数的重要因素。在较低的浓度、温度和压力下，自由能势垒相对较大，因此在经典模型预测的自然环境中，成核和生长的现象应该很少。然而，众所周知自然界中矿物转化无时无刻不在发生，如果能将这种转化机制应用到水处理工程中，将会以最小的成本极大地改善水质。遗憾的是，在自然环境下的结晶路径还没有很好的建立，需要进一步的研究。
俞文正研究组发现腐殖酸可以与菱铁矿表面释放的亚铁离子螯合形成Fe(II)-HA络合物， 从而加速铁元素从菱铁矿表面脱落并被水中的溶解氧氧化；由于Fe(II)-HA络合物使Fe原子彼此之间保持在足够短的距离内，通过团聚、结晶形成非晶前体纳米颗粒（前驱体）- 六线水铁矿。研究发现该前驱体能够有效地将低浓度的多离子络合物转移到结晶部位。 因此，在腐殖酸的作用下，初级纳米铁晶体尽管在空间上彼此分离，但仍能实现晶体排列。这些发现对理解自然环境中铁矿物转化以及营养元素的迁移转化具有重要意义。这些结果不仅支持了前驱体是单晶附着的必要前体假设，而且证实了晶体生长的基本步骤 。
该研究由中心博后邢波波、英国帝国理工学院Nigel Graham教授和俞文正研究员等撰写 了题为“Transformation of siderite to goethite by humic acid in the natural environment”的文章并发表在Nature系列刊物《Communication Chemistry》。
图1合成菱铁矿表征数据
图2 合成菱铁矿与腐殖酸反应后产物表征
图3 矿物转化示意图
文章链接：https://www.nature.com/articles/s42004-020-0284-3
环境水质学国家重点实验室
2020年3月26日