铬（Cr）广泛分布于岩石、水体以及土壤等环境中，Cr存在两种氧化还原价态：Cr(VI)和Cr(III)。其中，Cr3+容易形成Cr(OH)3沉淀，具有迁移性低以及生物毒性低的特点；相反，铬酸根（CrO42-）则易溶于水体中，易迁移性，生物毒性高。磁铁矿是自然界中最重要的同时含Fe(II)和Fe(III)的铁氧化物之一，具有高活性的氧化还原能力。还原条件下，铬酸根在磁铁矿表面的异相还原反应是铬的重要的地球化学行为，控制着铬的迁移-转化过程。然而，吸附反应是该异相还原过程的首要步骤，铬酸根在磁铁矿表面的微观吸附构型必定会影响后续的氧化还原反应。此外，硫酸根是地下水中重要的含氧酸根之一。硫酸根与铬酸根具有相似的结构、尺寸大小以及溶剂化能。因此，硫酸根的存在会强烈影响铬酸根在磁铁矿表面的吸附。迄今为止，铬酸根在磁铁矿表面的吸附构型以及硫酸根对铬酸根的竞争吸附机制仍不明确。
近期，中国科学院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室的梁晓亮副研究员和博士研究生林枭举，通过原位红外全反射光谱（in situ ATR-FTIR）以及二维相关光谱技术，从分子水平揭示了铬酸根和硫酸根在磁铁矿表面的吸附构型及竞争吸附机制，取得以下重要认识：
（1）铬酸根主要以去质子单齿单核（NMM，FeOCrO3）构型吸附在磁铁矿表面，同时存在少量的双齿双核（BB，Fe2O2CrO2）构型。
（2）硫酸根在酸性条件下以去质子单齿单核（NMM，FeOSO3）构型为主，碱性条件下则主要以外层络合（OS，FeOH-SO4）形态为主。
（3）在酸性条件下，硫酸根在磁铁矿表面的竞争效率高于铬酸根。而中性条件下，铬酸根的竞争效率高于硫酸根。这可归因于两者的吸附物种的稳定性顺序为：OS（S）< NMM（Cr）< NMM（S）。
本研究从分子水平揭示了铬酸根和硫酸根在磁铁矿表面的吸附构型以及各吸附物种的相对稳定性，有助于理解和掌握两种含氧酸根在表生环境中的迁移-转化和归趋。
pH4（a）和pH7（b）条件下，铬酸根竞争硫酸根的红外动态光谱图及其谱峰拟合
pH4（a）和pH7（b）条件下，硫酸根竞争铬酸根的红外动态光谱图及其谱峰拟合
pH4（a）和pH7（b）条件下，硫酸根和铬酸根同时吸附的红外动态光谱图及其谱峰拟合
该研究成果近期发表于国际矿物学期刊Minerals。本研究得到国家自然科学基金（41773113 42022012 41825003）、广东省杰出青年科学基金（2020B1515020015）、中科院青年促进会优秀会员资助项目（Y201863）等资助。
论文信息：Lin XJ, Wei GL, Liang XL, et al. The Competitive Adsorption of Chromate and Sulfate on Ni-Substituted Magnetite Surfaces: An ATR-FTIR Study[J]. Minerals: 2021, 11, 88. 链接 : https://doi.org/10.3390/min11010088