铁-铀环境界面过程及耦合机制研究获新进展

铀（U）在环境中的迁移转化行为，是核环境安全与放射性污染治理领域的核心科学问题。在近地表的氧化-还原过渡带（如地下水、湖泊沉积物），亚铁离子（Fe(II)）与三价铁离子（Fe(III)）常共存并随环境条件波动发生共沉淀，形成复杂的铁（羟基）氧化物体系，该体系是调控铀环境归趋的关键界面。然而，Fe(II)直接参与共沉淀如何影响矿物相的演化，并进而决定铀的固定机制（吸附或还原），其内在机理尚不明确。

近期，中国科学院西北生态环境资源研究院环境地球化学研究团队通过模拟近地表环境中度氧化还原条件，系统揭示了Fe(II)/Fe(III)共沉淀体系的矿物相变规律，并首次提出了结构性Fe(II)的“还原惰性阈值”概念，明确了在低Fe(II)密度环境下，吸附是铀固定的主导途径。

研究团队通过调控Fe(II)/Fe(III)初始摩尔比（1:50和1:10），模拟了不同氧化还原强度下的共沉淀过程。X射线衍射（XRD）与高分辨透射电镜（TEM）分析表明，Fe(II)的加入显著改变了矿物转化路径与速率。在低Fe(II)比例（1:50）下，沉淀物在48小时内主要保持为短程有序的水铁矿；而在高Fe(II)比例（1:10）下，体系在12小时内便开始快速转化为结晶度更高的针铁矿。这证实Fe(II)不仅是沉淀组分，更是矿物相变的关键因子，其浓度直接调控着环境界面矿物组成的演化轨迹。

进一步的研究发现，嵌入矿物晶格的结构性Fe(II)虽能提升对六价铀（U(VI)）的表面吸附容量，但并未引发U(VI)的还原。即使在高Fe(II)/Fe(III)比例（1:10）下，X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收近边结构（XANES）光谱均证实，被固定的铀仍以U(VI)形式存在。

为深入阐释这一现象，团队结合密度泛函理论（DFT）计算与文献证据，提出了一个创新概念：结构性Fe(II)的“还原惰性阈值”。计算表明，在单个Fe(II)-Fe(III)-U反应单元中，电子从Fe(II)转移至U(VI)在热力学上是不利的。因此，只有当矿物中Fe(II)的体相密度足够高，使得表面能够形成足够多、且可能通过协同作用克服能垒的活性位点时，还原反应才可能发生。本研究证实，触发U(VI)还原的该阈值，对应的Fe(II)/Fe(III)比例介于1:10至1:2之间。

该研究突破了传统上对铁氧化物还原铀能力的笼统认知，揭示了矿物相变动力学与局部电子传递热力学共同控制铀环境归趋路径的核心机制。该研究为精确预测铀在氧化-还原动态边界的环境行为提供了新的理论范式。所提出的“还原惰性阈值”概念，为在不同Fe(II)密度环境中预测铀是以吸附还是还原形式固定，提供了关键的定量化判据，具有重要的科学意义与应用潜力。

该成果以“Phase evolution matters: How Fe(II) reshapes coprecipitate surfaces for enhanced U(VI) adsorption”为题，发表于国际水环境领域权威期刊《Water Research》。西北研究院博士研究生张超飞为论文第一作者，范桥辉研究员和梅徽阳副研究员为通讯作者。该研究得到中国科学院院级引才项目和国家自然科学基金项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125776

研究机理与核心发现图示

XPS与XANES谱图证实铀以未还原形式被固定