Iron Vacancy Accelerates Fe(II)-Induced Anoxic As(III) Oxidation Coupled to Iron Reduction

针铁矿 缺氧水域 化学 氧化还原 鳞片岩 电子转移 空位缺陷 无机化学 铁质 催化作用 电化学 光化学 结晶学 物理化学 环境化学 吸附 电极 有机化学 生物化学
作者
Liping Fang,Zebin Hong,Thomas Borch,Qiantao Shi,Fangbai Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (5): 2175-2185 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c07833
摘要

Chemical oxidation of As(III) by iron (Fe) oxyhydroxides has been proposed to occur under anoxic conditions and may play an important role in stabilization and detoxification of As in subsurface environments. However, this reaction remains controversial due to lack of direct evidence and poorly understood mechanisms. In this study, we show that As(III) oxidation can be facilitated by Fe oxyhydroxides (i.e., goethite) under anoxic conditions coupled with the reduction of structural Fe(III). An excellent electron balance between As(V) production and Fe(III) reduction is obtained. The formation of an active metastable Fe(III) phase at the defective surface of goethite due to atom exchange is responsible for the oxidation of As(III). Furthermore, the presence of defects (i.e., Fe vacancies) in goethite can noticeably enhance the electron transfer (ET) and atom exchange between the surface-bound Fe(II) and the structural Fe(III) resulting in a two time increase in As(III) oxidation. Atom exchange-induced regeneration of active goethite sites is likely to facilitate As(III) coordination and ET with structural Fe(III) based on electrochemical analysis and theoretical calculations showing that this reaction pathway is thermodynamically and kinetically favorable. Our findings highlight the synergetic effects of defects in the Fe crystal structure and Fe(II)-induced catalytic processes on anoxic As(III) oxidation, shedding a new light on As risk management in soils and subsurface environments.
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