Sunlight-Driven Production of Hydroxyl Radical from Manganese Minerals

化学 激进的 过氧化氢 羟基自由基 氧气 价(化学) 光化学 无机化学 环境化学 活性氧 氧化还原 硫黄 有机质 析氧 反应性(心理学) 矿物 双锰矿 粘土矿物 氧化物矿物
作者
Deyu Qin,Chen Zhang,Fanzhi Qin,Hao Weng,Hanzhuo Luo,Cheng Huang,Binbin Wu,Chiheng Chu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (8): 6276-6286 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c11352
摘要

Manganese (Mn) minerals are abundant across Earth’s surface and have recently been recognized as sunlight-active materials. Here, we report that Mn minerals exhibit unexpectedly high photochemical reactivity for the generation of reactive oxygen species (ROS) including hydroxyl radicals (•OH) and hydrogen peroxide (H2O2). Through systematic evaluation of five representative Mn minerals (pyrolusite, psilomelane, rhodochrosite, hausmannite, and vernadite), we revealed •OH production rates reaching 16.2–168.6 μM over 120 min sunlight irradiation. Both valence band (VB) water oxidation and conduction band (CB) oxygen reduction contributed to ROS productions, with relative contributions varying among minerals. Remarkably, ROS yields from Mn minerals exceed those from Fe minerals by more than an order of magnitude; for instance, vernadite exhibited a steady-state •OH concentration of 4.9 × 10–16 M, compared to 9.5 × 10–18 M for hematite. Higher ROS production correlated with greater charge separation efficiency, as indicated by high photocurrent densities (e.g., 2.5 × 10–6 A cm–2 for vernadite) and substantial photoinduced surface potential shifts (e.g., +150 mV for vernadite). The •OH generated by Mn minerals oxidized aromatic-rich natural organic matter (NOM) into more labile forms and reshapes the microbial community composition. These results indicate that Mn minerals are an important and previously underappreciated source of ROS in sunlit environments, with implications on oxidative processes at mineral–water interfaces and their role in global biogeochemical cycles.
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