Redox Properties of Structural Fe in Clay Minerals: 4. Reinterpreting Redox Curves by Accounting for Electron Transfer and Structural Rearrangement Kinetics

氧化还原 动力学 粘土矿物 电子转移 化学 化学工程 无机化学 矿物学 光化学 物理 量子力学 工程类
作者
Vineeth Pothanamkandathil,Anke Neumann,Aaron Thompson,Christopher A. Gorski
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (44): 19702-19713 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c07835
摘要

Iron-bearing smectite clay minerals can act as electron sources and sinks in the environment. Previous studies using mediated electrochemical analyses to determine the reduction potential (EH) values of smectites observed that the relationship between the structural Fe2+(s)/FeTotal ratio in the smectite and EH varied based on the redox history of the smectite. We hypothesize that this behavior, referred to as redox hysteresis, results from the smectite particles not equilibrating with the applied EH over the course of the experiment (∼30 min). To test this hypothesis, we developed a model incorporating interfacial electron transfer kinetics and charge redistribution within the particle to simulate the mediated electrochemical experiments from previous studies. The simulated redox curves accurately matched the previously reported experimental redox curves of the smectite SWa-1, demonstrating that longer equilibration periods led to a decrease in redox hysteresis. We validated this experimentally by measuring the redox curve of SWa-1 after an equilibration period of at least 12 h. Furthermore, we extended the simulations to three other smectites (NAu-1, NAu-2, and SWy-2) and extracted their respective thermodynamic and kinetic parameters. This work offers a framework for interpreting and modeling redox reactions on clay surfaces, along with key parameters for four commonly studied smectites.
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