【学术聚焦】2025年第33期：教育部工程研究中心吴非博士在环境领域国际权威期刊发表关于地表铁循环最新成果

近日，教育部工程研究中心吴非博士在环境类国际权威期刊《Environmental Science & Technology》上发表了题为“Redox-driven Fe atom exchange at magnetite-water interface: Insights from ⁵⁷Fe-Mössbauer spectroscopy and first-principles molecular dynamics simulations”的最新研究成果（论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c06764）。武汉纺织大学为第一署名单位，吴非博士为第一作者。

磁铁矿（Fe₃O₄）是土壤中最常见的铁氧化物之一，在污染物的转化、微生物胞外呼吸、元素的生物地球化学循环中起着重要作用。在厌氧环境中，游离态Fe(II)和磁铁矿之间能发生显著的Fe原子交换过程。然而游离态Fe(II)驱动磁铁矿重结晶过程中的电子转移过程和原子交换机制尚不明确。本研究利用Fe同位素标记法、⁵⁷Fe-穆斯堡尔谱和分子动力学模拟，深入探讨了游离态Fe(II)驱动磁铁矿重结晶过程及其机制。结果表明，10 nm和59 nm的磁铁矿与游离态Fe(II)的铁原子交换率分别为其表面原子的1.5倍和2.3倍。偏离化学计量比的磁铁矿表现出比符合化学计量比的磁铁矿更高的Fe原子交换率。与符合化学计量比的磁铁矿不同，游离态Fe(II)在反应过程中能够还原磁铁矿八面体中未与Fe(II)配对的结构态Fe(III)，使其化学计量比接近x = 0.5。⁵⁷Fe-穆斯堡尔谱的分析结果证实，游离态Fe(II)与磁铁矿的铁原子交换优先发生在八面体结构上。分子动力学模拟结果进一步揭示，对于磁铁矿，晶格位点相比于非晶格位点更有利于游离态Fe(II)的吸附。在磁铁矿的四面体位点，Fe(II)形成的最稳定构型为单齿单核内球络合物；而在八面体位点，最稳定构型则为通过阳离子桥联作用形成的三齿内球络合物。这两种吸附构型的解析自由能分别为0.37 eV和0.67 eV，表明在磁铁矿(111)晶面上，八面体位点对Fe(II)的吸附能力高于四面体位点。

磁铁矿在环境中广泛存在，通常是其他不稳定铁氧化物（如水铁矿和纤铁矿）的最终产物。自然界中的磁铁矿由于具有不同的颗粒尺寸和氧化状态，其与游离态Fe(II)之间的铁原子交换过程机制受到颗粒尺寸和化学计量比的显著影响。这种机制可能进一步影响磁铁矿对污染物的还原、吸附和固定过程。本研究为深入理解磁铁矿在污染物还原和固定过程中的作用，以及在环境自净化中的机制提供了理论基础，并为其在环境治理和修复领域的应用奠定了坚实的科学依据。