Redox Properties of Structural Fe in Clay Minerals. 2. Electrochemical and Spectroscopic Characterization of Electron Transfer Irreversibility in Ferruginous Smectite, SWa-1

氧化还原 电化学 电子转移 粘土矿物 表征(材料科学) 化学 无机化学 材料科学 地质学 电极 化学工程 矿物学 纳米技术 物理化学 工程类
作者
Christopher A. Gorski,Laura Klüpfel,Andreas Voegelin,Michael Sander,Thomas B. Hofstetter
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:46 (17): 9369-9377 被引量:132
标识
DOI:10.1021/es302014u
摘要

Structural Fe in clay minerals is an important, albeit poorly characterized, redox-active phase found in many natural and engineered environments. This work develops an experimental approach to directly assess the redox properties of a natural Fe-bearing smectite (ferruginous smectite, SWa-1, 12.6 wt % Fe) with mediated electrochemical reduction (MER) and oxidation (MEO). By utilizing a suite of one-electron-transfer mediating compounds to facilitate electron transfer between structural Fe in SWa-1 and a working electrode, we show that the Fe2+/Fe3+ couple in SWa-1 is redox-active over a large range of potentials (from EH = −0.63 V to +0.61 V vs SHE). Electrochemical and spectroscopic analyses of SWa-1 samples that were subject to reduction and re-oxidation cycling revealed both reversible and irreversible structural Fe rearrangements that altered the observed apparent standard reduction potential (EH⌀) of structural Fe. EH⌀-values vary by as much as 0.56 V between SWa-1 samples with different redox histories. The wide range of EH-values over which SWa-1 is redox-active and redox history-dependent EH⌀-values underscore the importance of Fe-bearing clay minerals as redox-active phases in a wide range of redox regimes.
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