纳米矿物指仅以纳米尺寸存在的矿物；矿物纳米颗粒指以纳米尺寸存在，但仍可以更大尺寸存在的矿物颗粒。纳米矿物和矿物纳米颗粒（Nanominerals and mineral nanoparticles, NMMNs）在大气、海洋、地表水、土壤和沉积物环境中广泛存在，具有高迁移能力和高表面反应性，对环境物质的迁移和转化具有重要作用。NMMNs的反应性受物相、尺寸和形貌制约，其微观形成机制受到地球化学、环境科学、矿物学等领域广泛关注。

地球系统中各种物理化学反应大多始于矿物表面；NMMNs的结晶生长过程同样受矿物表面制约：矿物表面可通过界面相互作用制约NMMNs的成核速率和生长途径，影响产物的物相、尺寸、形貌等。前人对NMMNs在纯相表面上的异相结晶生长开展了大量研究；然而，尚不清楚共存不同物相表面如何影响上述过程。自然环境中，各种矿物普遍共存，常以异质聚集体形式出现（例如地表环境中常见的铁氧化物-黏土矿物聚集体）。异质聚集体可以表现出各矿物组分耦合的表面反应性（例如吸附、催化），因而极有可能对NMMNs的结晶生长产生复杂的耦合效应。因此，了解异质聚集体表面对NMMNs结晶生长的微观作用机制有助于我们进一步认识自然环境中NMMNs的形成过程。

针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所杨奕煊、朱润良、何宏平等研究人员制备了铁氧化物（水铁矿）-黏土矿物（高岭石/蒙脱石）异质聚集体，探究了其对Mn(II)异相氧化及锰（氢）氧化物（MnO_x）纳米颗粒异相结晶生长的影响，主要得到以下认识：

水铁矿可催化Mn(II)逐渐氧化去除，诱导MnO_x纳米颗粒异相成核。高岭石、蒙脱石可快速吸附Mn(II)，但对Mn(II)氧化的催化作用较弱。水铁矿表面形成的MnO_x纳米颗粒可迁移至高岭石/蒙脱石表面，与其发生相互作用，使不同体系中MnO_x的生长途径、微观形貌产生显著差异：水铁矿体系中的MnO_x可自由聚集并组装形成纳米线（图1）；水铁矿-高岭石体系中，高岭石表面静电吸引使MnO_x难以聚集，MnO_x主要通过自催化Mn(II)氧化形成纳米棒（图2）；水铁矿-蒙脱石体系中，蒙脱石表面强烈的静电吸引使大量弱结晶MnO_x纳米纤维附着其在表面，后者进而组装形成块状MnO_x（图3）。

上述结果表明，共存铁氧化物、黏土矿物在诱导Mn(II)氧化和MnO_x纳米颗粒结晶生长过程中存在“合作”关系，共同制约产物中Mn的氧化态与空间分布、MnO_x的微观形貌（图4、5）。本研究率先揭示了不同表面在诱导NMMNs异相结晶生长过程中的耦合效应。上述发现还对进一步理解环境中MnO_x的形成-转化、Mn的迁移-固定具有重要意义。

本研究受国家杰出青年科学基金（42225203）、国家自然科学基金（42272045、42302033）、广东省杰出青年基金（2023B515020006）等项目联合资助。相关成果近期在线发表于Geochimica et Cosmochimica Acta。

论文主要实验数据在中国科学院广州地球化学研究所电镜中心完成测试。

论文信息：Yang Y. (杨奕煊), Chen Q.(陈情泽), Liu J. (刘晶), Xing J. (邢介奇), Yang Y. (杨宜坪), Zhu R.*(朱润良), He H. (何宏平), Hochella M.F. (2025) Coupled effects of iron (hydr)oxides and clay minerals on the heterogeneous oxidation of aqueous Mn(II) and crystallization of manganese (hydr)oxides. Geochimica et Cosmochimica Acta. 388, 167–181.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.09.034

图 1 水铁矿体系（Fhy）产物微观结构特征：（A）TEM图；（B）元素分布图；（C）MnO_x颗粒宽度分布图（C）；（D）图A中选区的HRTEM图，显示MnO_x产物具有颗粒组装结构；（E）图D中选定区域的IFFT图，显示颗粒边界处位错。

图 2 水铁矿-高岭石体系（Fhy-Kln）产物微观结构特征：（A）TEM图；（B）元素分布图；（C）MnO_x颗粒宽度分布图；图A中选区的HRTEM图，显示MnO_x产物具有不同结构：颗粒组装（D）、核壳（E）、单晶（F）。

图 3水铁矿-蒙脱石体系（Fhy-Mnt）产物微观结构特征：（A）TEM图；（B）元素分布图；图A中不同选区的HRTEM图，显示MnO_x产物具有颗粒组装结构：（C）MnO_x纳米纤维、（D）块状MnO_x、（E）MnO_x纳米纤维-块状MnO_x交界处；（F、G、c1-c4）对应图D全局、图E全局、图C选区的FFT图。

图 4 水铁矿、水铁矿-高岭石、水铁矿-蒙脱石体系产物的Mn-L_2,3电子能量损失谱（EELS）面扫结果，显示Mn平均氧化态（AOS）的纳米尺度二维空间分布特征。

图 5 水铁矿-高岭石、水铁矿-蒙脱石体系中MnO_x纳米颗粒的结晶生长机制示意图。