Redox-Driven Fe Atom Exchange at the Magnetite–Water Interface: Insights from 57Fe–Mössbauer Spectroscopy and First-Principles Molecular Dynamics Simulations

磁铁矿 穆斯堡尔谱学 化学 氧化还原 电子转移 水溶液 赤铁矿 八面体 结晶学 无机化学 化学物理 物理化学 材料科学 晶体结构 矿物学 冶金
作者
Fei Wu,Jing Sun,Jimei Zhou,Fangyuan Meng,Xiaoli Lu,Dongsheng Xia,Chengshuai Liu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (37): 19846-19855
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c06764
摘要

Magnetite (Fe3O4) plays a pivotal role in the biogeochemical cycling of iron (Fe) and contaminant fate through interfacial electron transfer processes. While aqueous Fe(II)-magnetite interactions drive these environmentally critical redox reactions, the atomistic mechanisms governing electron transfer and isotopic exchange between aqueous Fe(II) and structural Fe(III) in magnetite during recrystallization remain elusive. Herein, this study combined Fe isotopic tracer experiments, 57Fe-Mössbauer spectroscopy and molecular dynamics simulations to investigate the structural controls on Fe(II)-catalyzed magnetite recrystallization under circumneutral conditions. The results demonstrate that Fe(II)aq exchanges with structural Fe(III) in magnetite, with the extent increasing for smaller particle sizes and nonstoichiometric compositions. Mössbauer spectra demonstrate preferential Fe atom exchange at octahedral sites. Molecular simulations further identify the most stable surface configurations of Fe(II) on magnetite: a monodentate mononuclear inner-sphere complex at tetrahedral sites versus a tridentate inner-sphere complex (stabilized by cation bridging) at octahedral sites. Calculated desorption free energies (0.37 eV vs 0.67 eV) confirm stronger Fe(II) retention at octahedral sites. These mechanistic insights advance the fundamental understanding of Fe(II)-catalyzed mineral transformations and inform the rational design of magnetite-based remediation strategies.
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