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（来源：生态修复网）

第一作者：程麟昕

通讯作者：王琳玲教授 盛安旭副研究员

通讯单位：华中科技大学

论文DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c03094

图片摘要

成果简介

华中科技大学王琳玲和盛安旭课题组在环境领域权威期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Pore-Size-Dependent Kinetics and Product Distribution of Fe(II)-Catalyzed Ferrihydrite Transformation”的研究论文。该研究模拟了土壤和沉积物中的微米孔隙对Fe(II)催化水铁矿转化过程的影响，通过分析不同空隙尺寸下水铁矿晶相转化动力学、次生矿物晶相及颗粒粒径，揭示了中间介体Fe(III)labile的快速供应和限制扩散在调控微米尺寸空间中水铁矿晶相转化的主导作用，为评价Fe(II)催化转化过程中亚稳铁（氢）氧化物的归趋及其在多孔介质中的环境意义提供了新的视角。

图文导读

针对广泛发生于天然沉积物以及土壤厌氧环境中亚铁催化水铁矿相变过程，本研究通过搭建微米尺度孔隙模拟自然反应场所，揭示了Fe(II)催化水铁矿转化的过程中产物的分布、形成动力学及初级粒径与孔隙大小存在显著关联。研究表明，随着孔隙高度的增加，产物生成量减少，生成速率的自然对数呈线性下降；同时，针铁矿和纤铁矿的分布存在差异，针铁矿相对含量随空袭高度增高而降低，产物颗粒初级粒径增大，而提高Fe(II)浓度弱化了产物形成的空间异质性。COMSOL反应-扩散模拟显示，Fe(II)催化水铁矿溶解产生的Fe(III)labile快速供应使其在受限微孔中局部积累并形成高过饱和度，这一过程主导了孔隙大小对产物分布、动力学及粒径的调控。本研究揭示了微米孔隙对矿物的结晶与转化的微观调控机制，为自然环境中相关矿化过程的预测提供了理论基础。

引言

水铁矿是形成稳定晶质铁（氢）氧化物的前驱体矿物，普遍存在于湖泊、海洋等水体沉积物和土壤环境中，在地表缺氧环境中，亚铁离子能够催化水铁矿快速转化成更稳定的铁矿物。由于孔隙内部空间物质运移和浓度分布的异质性，导致水体沉积物和土壤孔隙中矿物的形成、溶解和转化等环境行为表现出特殊的动力学和热力学规律。同时，水铁矿因其小粒径、大比表面积和高反应性，其转化过程深刻影响孔隙结构的演化，以及营养物和污染物的迁移转化行为。已有研究利用不同孔隙尺度装置探究结晶动力学等特性，虽已知受限空间会对矿物产生动力学和热力学约束，但在Fe(II)催化水铁矿转化这类前驱体快速持续供应的场景中，结晶矿化是否依赖孔隙大小仍不明确。此外，Fe(II)与水铁矿接触后生成的Fe(III)活性中间体（Fe(III)labile）可促进物质传递，但在孔隙尺度下，该中间体的生成与扩散如何导致产物的空间异质性，仍是尚未解决的问题。因此，本研究聚焦解析孔隙尺度地球化学过程中矿物转化过程及其微观机制。

图文导读

微孔实验装置示意图

图1：为探究不同孔隙高度对亚铁催化水铁矿相变的影响，研究将水铁矿纳米颗粒膜覆盖于硅片表面，并通过在其表面固定玻璃珠形成空间高度渐变的孔隙结构，硅片表面任意点位的孔隙高度（h）则通过该点与距离接触点距离（x）计算得到。

不同孔隙尺寸下亚铁催化水铁矿相变的产物生成量

图2：水铁矿在2 mM FeSO4溶液中经12 h转化后，对不同孔隙高度下水铁矿膜表面产物矿物颗粒的SEM图像及覆盖面积占比（Area%）统计，结果显示，靠近接触点的小孔隙区域（h=3.42 μm）产物覆盖面积59.00%，随孔隙高度增加至788.94 μm，覆盖面积降至13.14%，表明孔隙越小，产物矿物产量越大。

不同孔隙尺寸下亚铁催化水铁矿相变动力学

图3：水铁矿经过不同反应时间、不同FeSO4（2mM、10mM）浓度催化后，产物覆盖面积占比随孔隙高度增加而非线性下降，即在小孔隙区域下降更快；高Fe(II)浓度显著加速转化并降低产物分布的空间异质性。进一步分析发现，产物生成速率的自然对数与孔隙高度呈显著线性负相关。

产物纤铁矿和针铁矿的空间分布

图4：为了确定孔隙高度对产物类型的影响，对反应后水铁矿膜表面红外光谱面扫分析，结果显示，小孔隙区域（靠近硅片中心）的纤铁矿和针铁矿特征峰强度更高，且纤铁矿特征峰强度约为针铁矿的5倍，表明小孔隙更利于两种矿物生成，且纤铁矿为优势产物。

亚铁催化水铁矿相变的产物粒径分布

图5：对不同孔隙高度（h=0.11 μm 和 h=579.48 μm）下产物矿物颗粒粒径分布进行统计，结果显示小孔隙区域产物颗粒平均长度为146.1±57.6 nm，显著小于大孔隙区域（222.5±61.8 nm），表明孔隙越小，产物初级粒径越小。

COMSOL模拟中间介体Fe(III)labile在孔隙中随时间的分布

图6：图6：COMSOL模拟的不同时间、不同FeSO4浓度下，Fe(III)labile在孔隙尺度空间的分布。结果显示，低Fe(II)浓度下，小孔隙区域Fe(III)labile快速积累，随时间逐渐扩散；高Fe(II)浓度下，Fe(III)labile生成更快且更易在全孔隙空间达到均匀分布，验证了Fe(III)labile的积累与扩散主导孔隙尺寸对水铁矿晶相转化的调控作用。

小结

本研究通过构建连续尺寸空间探究微米尺寸孔隙中亚铁催化水铁矿的晶相转化过程，结合矿物表征（SEM、μFTIR和AFM）及COMSOL反应-扩散模拟，阐明了微米孔隙通过调控前驱体Fe(III)labile的供应与积累，影响水铁矿晶相转化动力学、产物分布空间分布及颗粒粒径的微观机制，构建了孔隙尺寸与水铁矿转化产物特征的关联规律，为理解自然多孔介质中孔隙尺度铁矿物地球化学过程和元素循环提供了新的见解。

通讯作者

王琳玲：华中科技大学 环境科学与工程学院 教授，启明学院 副院长，兼任中国高等教育学会智慧教育研究分会理事，中国生态学会生态工程专业委员会委员，中国城市环境卫生协会工程管理专业委员会专家，湖南省工业固废资源化与安全处置工程技术研究中心主任等。主要从事环境监测、固废利用、环境修复等低碳智能新技术研究，承担国家/省市级科技攻关和企业合作研发项目40余项，在ES&T、WR等国内外期刊发表学术论文90余篇，授权国家专利20余项，编制国家及地方标准5项，出版中文教材4部、英文专著3部，获省部级及行业科技奖励10余项。受邀在国内外学术会议上进行学术报告20余次，担任ES&T等10余个国内外期刊的审稿人。

盛安旭：华中科技大学 环境科学与工程学院 副研究员，入选国家博新计划、湖北省级人才支持计划和武汉英才计划。2015年本科毕业于华中科技大学环境科学与工程学院，2020年博士毕业于北京大学环境科学与工程学院，2020-2022年在北京大学开展博士后研究。主要从事铁环境地球化学、矿物-微生物-污染物相互作用等相关研究工作。主持国家自然科学基金面上项目/青年科学基金、国家重点研发子课题、湖北省自然科学基金面上项目等科研项目，以第一/通讯作者在ES&T（5篇）、GCA（3篇）和Environmental Science: Nano等环境地球科学领域知名刊物发表SCI论文10余篇。目前担任GCA、ES&T和Frontiers in Microbiology等环境和地球科学领域高影响力期刊审稿人。

第一作者：程麟昕，女，2025届硕士研究生，毕业于华中科技大学环境科学与工程学院

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