【儀表網 研發快訊】作為重要的載金礦物，黃鐵礦對金的富集成礦機制一直備受關注。金離子在黃鐵礦表面的吸附還原可形成納米金，進而驅動金的高效沉淀。前人對黃鐵礦與納米金之間的關系開展了大量研究，提出納米金在黃鐵礦內部或表面沉淀的三種常見途徑：①黃鐵礦內部的晶格金轉變為納米金；②含金黃鐵礦風化過程中釋放金進而形成納米金；③納米金在黃鐵礦與含金溶液界面處成核。然而，由于缺乏納米尺度的原位液相觀測，納米金在黃鐵礦-水界面的成核機制與生長動力學過程仍不清楚。
為了闡明納米金在黃鐵礦-水界面沉淀的微觀動力學和反應機制，中國科學院廣州地球化學研究所與合作團隊，采用原位液相透射電子顯微鏡和熱力學模擬等方法，系統研究了亞微米級黃鐵礦顆粒在氯金酸溶液中的界面反應過程。研究發現，在10 ppb(十億分比濃度)的低濃度含金溶液中，黃鐵礦-水界面可形成一種致密液體層，該液體層與黃鐵礦的等效半徑之間呈負相關，故致密液體層的形成依賴于黃鐵礦的溶解(圖1)。黃鐵礦-水界面形成的致密液體層具有復雜的內部化學成分(包括AuOH(aq)、FeOH2+、FeO+、Cl-、H+、SO42-、Fe2+、Sn2-、ROS和Fe3+等)，這一獨特的微環境為多種化學反應提供了關鍵場所，包括納米金的成核與生長以及鐵氧化物的相轉變等過程(圖1)。進一步對致密液體層和體相溶液進行熱力學模擬發現，在致密液體層中，當-65<氧逸度(logfO2(g))<-26時，體系滿足納米金的成核條件；而體相溶液中的logfO2(g)條件則無法實現納米金的成核(圖2)。金的溶解度與logfO2(g)呈顯著正相關，故黃鐵礦溶解導致致密液體層中logfO2(g)降低是驅動納米金沉淀的主要原因。
該研究從納米尺度揭示了黃鐵礦從欠飽和流體中富集金的新機制，提出黃鐵礦-水界面的致密液體層能夠萃取體相溶液中的金，形成適宜于納米金成核與生長的飽和微環境。這種與致密液體層相關的金富集機制可同時適用于熱液型金礦床(如造山型、卡林型及淺成低溫熱液型)和表生金富集過程，從而為黃鐵礦富集金提供新視角。
圖1. 黃鐵礦-水界面致密液體層中AuNPs的沉淀過程。(A-M)原位液相透射電鏡觀測黃鐵礦與10 ppb HAuCl4溶液(pH=3.5)反應的時間演化序列；黃色箭頭指示致密液體層的形成，紅色圓圈標記AuNPs的沉淀位置；(N-O)原位液相透射電鏡拍攝的AuNPs高分辨透射電鏡圖像及對應快速傅里葉變換圖譜；(P)黃鐵礦與致密液體層的等效半徑變化趨勢；(Q)AuNPs顆粒數量與粒徑隨時間的變化
圖2. (A)體相溶液與(B)致密液體層中金的溶解度相圖；(C)致密液體層中鐵的溶解度相圖；(D)致密液體層中的主要含鐵物種
該研究由中國科學院廣州地球化學研究所研究員朱建喜和鮮海洋、江西省科學院副研究員唐紅梅、廈門大學教授廖洪鋼及東華理工大學副教授鄧騰等合作完成。相關成果發表于國際期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。本文第一作者為國科大博士畢業生唐紅梅(培養單位：中國科學院廣州地球化學研究所)，通訊作者為國科大碩士生導師、中國科學院廣州地球化學研究所研究員鮮海洋。該研究由國家自然科學基金(42202041)、江西省自然科學基金(20242BAB20136)、廣東省基礎與應用基礎研究基金杰出青年項目(2022B1515020007)及江西省科學院研究項目(2022YSBG22017和2023YJC2010)聯合資助。
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