钒钛磁铁矿中V元素赋存状态的研究

磁铁矿是一种具有反尖晶石结构的铁氧化物矿物，由于其具有较强的催化能力，同时分布广泛，环境相容性好，具有强磁性，被认为是一类具有广阔应用前景的环境功能材料，也控制着有机污染物在地球表面的迁移和转化过程。在自然界中，磁铁矿更多地是以多种金属元素掺杂和固溶的形式存在。这些掺杂离子在磁铁矿结构中的赋存状态，如价态和配位环境，对磁铁矿的物理化学性质以及催化性能有着重要的影响。

对掺杂离子占位的研究，传统的测试手段是红外光谱和穆斯堡尔谱，这两种手段都是通过分析铁离子的占位变化来推测掺杂离子的占位情况，加之掺杂离子的含量较低，所以获得的结果仍欠缺说服力。X射线吸收精细结构（XAFS）谱是研究物质中原子近邻结构最强有力的工具之一，能有选择性地研究研究样品中不同元素的价态以及近邻结构。中科院广州地球化学研究所的一个研究组与BSRF的XAFS实验站合作，利用X射线吸收近边结构（XANES）谱探测掺杂离子在磁铁矿结构中的赋存状态。

该研究组通过选取四川攀枝花钒钛磁铁矿和实验室合成的钒掺杂磁铁矿（Fe3-xV_xO4），利用XANES测量V元素的K吸收边（图1），确定V元素在磁铁矿结构中的价态和占位。结果显示天然钒钛磁铁矿及Fe3-xV_xO4中的V离子均以+3价的形式占据在磁铁矿的八面体位（图2），推测钒元素的赋存状态是磁铁矿在降解有机染料过程中具有强催化能力的重要来源。相关成果于2010年分别发表在《Applied Catalysis B: Environmental》和《Journal of Hazardous Materials》上，这两个杂志的编委均认为：“该工作在掺杂磁铁矿结构表征方面提供了有价值的实验数据，能极大地推动该矿物在工业以及环境工程的应用。”

该研究推动了XAFS技术在材料科学与环境科学中的应用，完善对钒钛磁铁矿中钒元素赋存状态的认识，对进一步研究掺杂离子赋存状态、磁铁矿的物理化学及其催化性能之间的构效关系起到了关键的作用，有利于推动该矿物在污染治理与环境修复中的应用前景。

发表文章：

Xiao-Liang Liang,1,2 San-Yuan Zhu,1 Yuan-Hong Zhong,1,2, Jian-Xi Zhu,1 Peng Yuan,1 Hongping He,1,* and Jing Zhang3. The remarkable effect of vanadium doping on the adsorption and catalytic activity of magnetite in the decolorization of methylene blue.Applied Catalysis B-Environmental, 2010. 97(1-2): 151-159.

Xiao-Liang Liang,1,2 Yuan-Hong Zhong,1,2 San-Yuan Zhu,1 Jian-Xi Zhu,1 Peng Yuan,1 Hongping He,1,* and Jing Zhang3. The decolorization of Acid Orange II in non-homogeneous Fenton reaction catalyzed by natural vanadium–titanium magnetite. Journal of Hazardous Materials, 2010. 181(1-3): 112-120.

1 Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China

2 Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3 Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

* To whom correspondence should be addressed. E-mail address: hehp@gig.ac.cn (H.P. He).