水钠锰矿（δMnO2）是一类纳米结晶的氧化锰矿物，其广泛存在于地球表层环境中。由于其结构存在空位和低价阳离子替代，水钠锰矿表面具有多种活性位点，可形成复杂的痕量金属络合物。这些不同的络合结构强烈影响微量金属的生物有效性和迁移性，在痕量金属循环中起着重要作用。但传统表征方法如同步辐射技术等对识别多种络合物共存体系存在局限，使得目前对水钠锰矿不同表面位点活性的特异性识别成为研究难点与热点。
图1 Zn同位素吸附到矿物表面过程的同位素分馏和对应Zn-O键长的关系图
基于此，李伟教授团队首先在实验层面建立了Zn同位素分馏值和Zn-O键长的相关关系（图1），进而将Zn稳定同位素作为探针，特异性识别水钠锰矿表面位点的反应活性。结果表明，不同pH条件下吸附产生的锌同位素平衡分馏存在较大差异，水钠锰矿空穴位点吸附六配位锌可产生-0.46 ± 0.04‰的分馏，而边缘位点四配位结合态锌可以产生+0.52 ± 0.04‰的分馏（图2）。本研究成功利用金属稳定同位素探测矿物表面活性位点，为金属稳定同位素技术在不同领域的应用提供了新思路。
图2 不同pH条件下水钠锰矿表面位点依赖的Zn同位素分馏示意图
本研究受到国家自然科学基金委 (41977267, 41722303, 42011530177)的资助，研究结果近期发表于国际地球化学一流期刊Geochimica et Cosmochimica Acta（Nature index刊物，影响因子5.01），南京大学地球科学与工程学院李伟教授为本论文的通讯作者，博士研究生王昭为第一作者。
文章信息：Zhao Wang, Caroline Peacock, Kideok D. Kwon, Xionghan Feng and Wei Li, 2023, Site-specific isotope fractionation during Zn adsorption onto birnessite: Insights from X-ray absorption spectroscopy, density functional theory and surface complexation modeling. Geochimica et Cosmochimica Acta, 348, 68-84.
原文链接：DOI: 10.1016/j.gca.2023.03.006