矿物/流体界面吸附反应是调控地表元素分配并影响表生元素地球化学循环最基础的反应，因此从微观尺度表征元素在矿物/流体界面反应机制一直是低温地球化学领域的重要难题和学术前沿。过去三十年，同步辐射X射线吸收光谱技术的应用，提供了原子分子尺度的化学结构信息，极大推动了矿物表界面地球化学的理解。但同步辐射技术在超轻元素的表征存在局限，难以区分硅酸盐矿物和黏土矿物表面的Si-OH位点和Al-OH位点对元素吸附的贡献。比如，锌离子在氧化硅和氧化铝表面吸附的同步辐射X射线吸收精细结构光谱图非常相似，仅在锌-氧键长上有细微差别，以至于在锌、硅复合体系中很难定量区分锌离子与Al-OH位点和Si-OH位点的结合比例（图1）。
图1 锌、硅共吸附样品的同步辐射X射线吸收光谱分析
为了解决这一难题，太阳官网李伟教授团队创新性地利用金属稳定同位素的分馏差异成功示踪了锌离子在不同矿物表面吸附位点的结合模式。与同步辐射研究结果相反，不同表面吸附过程产生的锌同位素平衡分馏却存在较大差异，表面沉淀态的锌可产生0.02 ± 0.07‰的分馏，与氧化铝表面以内圈配位结合态锌可以产生0.47 ± 0.03‰的分馏，与石英和无定型二氧化硅表面结合的锌可分别产生0.60和0.94‰的分馏（图2）。基于同位素平衡分馏的质量守恒原理，我们可以定量算出复合体系各种含锌物种的形态。此前，金属稳定同位素在表生环境领域主要用于宏观尺度的源解析，我们的工作将稳定同位素的应用进一步推广到了微观尺度的地球化学反应过程示踪，为研究复杂系统的元素生物地球化学循环提供新思路。
相关成果发表在国际NI期刊《Environmental Science & Technology》（影响因子11.3）上。博士后苟文贤为论文第一作者，李伟教授为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金项目（41977267, 41722303）、中央高校基本科研基金、关键地球物质循环前沿科学中心和表生地球化学教育部重点实验室的资助。研究工作中的同步辐射实验得到北京同步辐射光源和美国斯坦福同步辐射光源的协助。
图2 锌、硅共吸附样品的金属稳定同位素分析
文章信息：Wenxian Gou, Wei Li*, Matthew Siebecker, Mengqiang Zhu, Ling Li, Donald L. Sparks, 2022. Coupling molecular-scale spectroscopy with stable isotope analyses to investigate the effect of Si on the mechanisms of Zn-Al LDH formation on Al oxide. Environmental Science & Technology 56(19), 13829–13836.
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c05140
