李雪芳鉴定出铁-锰水合物表面吸附复合物结构

2010-11-17 17:01 来源: 中国科学院
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贵阳地化所用稳定同位素分馏方法鉴定铁-锰水合物表面吸附复合物结构

  铁-锰水合物是自然界水体中最主要的吸附剂或共沉降物之一,研究溶液中的金属离子或金属化合物是以何种形式吸附在铁-锰水合物表面,可以了解这些金属被移除的方式、条件和种类,并最终理解溶液中金属元素的分配形式和同位素分馏。但是,该研究有如下难题:

  1)作为吸附载体的铁-锰水合物本身结构是未知的。对于纯的铁水合物,它仅能以纳米尺寸稳定存在于溶液中,传统X射线衍射无法测定其结构,这导致尽管每年有超过100篇的SCI文章研究F铁水合物,但人们并不知道它存在的详细形式,直到2007年John Parise教授课题组才首次使用“高能中子衍射+计算模拟”的方式,揭示了铁水合物的结构(Science, 316, 1726-1729)。但是,对于真实体系中大量掺杂的铁的水合物(如铁-锰水合物),其结构还是未知的;

  2)“变结构”问题,即不能使用沉积物的情况来推测表面吸附物的结构。随着铁-锰水合物的沉降、埋藏和进一步脱水(直到最后变成铁-锰氧化物),吸附的金属杂质的配位数和结构会被调整,因而无法反映在表面的赋存形式。

  3)微量问题,即吸附的金属杂质往往以ppb和ppm级别存在,这又增加了鉴定表面吸附复合物结构的困难。

  中科院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室刘耘课题组李雪芳研究实习员,最近提出一种新方法解决上述科学难题(Li and Liu, 2010, Chemical Geology, 278, 15-22)。因为矿物表面形成“稳定”吸附复合物的时间和同位素交换反应结束的时机吻合,如果出现二键、三键螯合的稳定吸附复合物形式,在低温下,吸附的金属就不再和溶液有同位素交换,此时记录的同位素分馏大小,将由形成的表面复合物的结构和形成时的温度控制,即使随着铁锰水合物的进一步沉降、埋藏、脱水,其保存的同位素信号不变,因而可以使用稳定同位素分馏大小来判定表面吸附物结构。

  李雪芳利用Ge同位素在铁水合物表面的吸附作为一个例子,计算了所有可能存在的表面吸附物的结构及其造成的Ge同位素分馏大小,并以之同实验测试的分馏结果对比,非常清楚地鉴别出只有一种吸附物形式能满足这一分馏过程。

  此工作是李雪芳继去年关于各重要地质体系Ge同位素平衡分馏系数计算(Li et al. 2009, EPSL, 287,1-11)之外又一项关于Ge同位素研究的重要成果,Chemical Geology杂志评审人对她这一新想法大加赞赏,并认为这是一篇有机会在该领域成为“地标性”(landmark)工作的文章。