纤蛇纹石在纳米材料及环境科学中的意义

传统工业矿物——纤蛇纹石，是一种具有独特卷管状构造的一维纳米管材料，具有机械强度好、耐热、绝缘等优良性能，同时具有高表面化学活性和生物活性。其活性主要源自表面不饱和键、纳米晶体巨大的比表面积所带来的高表面能以及卷曲构造导致的晶格弯曲而引起的附加内能和表面能。优良的物理和化学性能使其在纳米新材料中具有广阔的应用前景；高表面活性使其可被用来治理环境污染，但也可对人体造成致命威胁，导致石棉肺并引发癌症。因此，积极开展纤蛇纹石污染和致病机理的深入研究，有针对性的对其进行表面改性，降低或消除其毒性，同时加强采、选及加工企业粉尘污染的监测、改善人员防护，纤蛇纹石可以发挥优良性能，实现物尽其用。     

西秦岭造山带夏河—合作地区印支期岩浆活动及成矿作用——以德乌鲁石英闪长岩和老豆石英闪长斑岩为例

西秦岭造山带印支期岩浆活动十分频繁,发育在夏河—合作地区的德乌鲁石英闪长岩和老豆花岗闪长岩与区域上金矿床的形成密切相关。岩石地球化学特征表明,这两类岩石地球化学性质相似,均为过铝质钙碱性中性岩。微量元素具有富集大离子亲石元素LILE,如Rb、Th、U等和轻稀土元素,亏损Ba、K、Nb、Sr、Ti和低Sr和Y的特点。稀土元素组成表现为轻稀土富集而重稀土亏损,轻重稀土分馏强烈,且具有弱的负铕异常。LA-ICP-MS锆石UPb同位素测年获得2个德乌鲁石英闪长岩样品(LD103和LD107)的加权平均年龄分别为(245.8±1.7)Ma和(243.4±1.9)Ma(图10-a),而3个老豆花岗闪长岩样品(LD102、LD106和LD113-2)的加权平均年龄分别为(241.4±2.1)Ma、(238.2±1.7)Ma和(241.4±1.6)Ma。德乌鲁石英闪长岩和老豆花岗闪长岩具有低Sr的特点,属于喜马拉雅型花岗岩,是由来自不同深源部分熔融形成的不同批次岩浆多次侵位聚集而成的,有利于与喜马拉雅型花岗岩有关的斑岩型Cu-Au、矽卡岩型Cu-Au和浅成低温Cu-Au-Sb矿床的形成。     

不同亚类硅酸盐矿物的中红外光谱学特征

利用热红外发射光谱研究了不同亚类硅酸盐矿物镁橄榄石、透闪石、蛇纹石和钠长石的红外发射光谱特征。在120oC时,通过对400～1650 cm-1的红外波段进行积分计算,发现硅酸盐矿物中镁橄榄石的发射率最高,可达到0.988,钠长石最低为0.947。硅酸盐矿物在850～1300cm-1区间均产生宽的低发射带,该发射带与硅氧四面体层中(Si,Al)-O的伸缩振动相关;在470 cm-1左右则形成相对尖锐的低发射带,与硅氧四面体层中(Si, Al)-O的弯曲振动相关。从岛状、链状、层状到架状硅酸盐矿物由于Si O2聚合程度依次增加,最强发射谷的位置依次向高频方向偏移,说明硅氧四面体中Si-O伸缩振动带的位置受到了n(Si)/n(O)比值的制约。此外,在辐射能量谱里,镁橄榄石、透闪石、蛇纹石和钠长石的最强辐射谷范围趋于变宽,依次为115、162、225和247 cm-1,反映了吸收的辐射能增加。综上可推测,硅酸盐矿物强的发射率可能与硅氧四面体中Si-O的振动模式、Si O2的聚合度、辐射能量谱中最强辐射谷的波长范围有关。     

天然矿物光电效应:矿物非经典光合作用

地球上生物因受到太阳光辐射作用而进化出结构精致的光合作用系统。太阳光辐射对地球表面广泛分布的无机矿物的影响与响应机制长期未被重视与理解。我们新发现的地表“矿物膜”转化太阳能系统,具有潜在的产氧固碳作用,体现出自然界中固有的矿物光电效应与非经典光合作用。本文在总结自然界中矿物光电子能量特征,特别是地表“矿物膜”特征及其光电效应性能的基础上,重点探讨铁锰氧化物矿物表现出的光电效应、产氧固碳作用与地质记录。提出矿物享有光电效应特性,地表“矿物膜”富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物,在日光辐射下具有稳定而灵敏的光电转换性能,产生矿物光电子能量;提出矿物拥有非经典光合作用的性能,自然界无机矿物转化太阳能系统类似生物光合作用吸收转化太阳能的产氧固碳系统,地表“矿物膜”光催化裂解水产氧作用及其转化大气和海洋二氧化碳为碳酸盐矿物作用,孕育出“矿物光合作用”;提出矿物具有促进生物光合作用的功能,生物光合作用中心Mn₄CaO₅在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的锰簇化合物结构体,初步认为水钠锰矿可能促使蓝细菌光合作用系统的起源,矿物影响与削弱水分子氢键以改变水的性质,可提高水的分解程度与光合作用效率,为进一步探索矿物促进生物光合作用机理提供科学技术突破的机遇。     

掺杂Fe、Cd闪锌矿电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对掺Fe和(或)Cd的闪锌矿型Zn S的电子结构进行了计算。计算结果表明,纯闪锌矿的禁带宽度为2.85 e V;掺Fe浓度为3.125%的闪锌矿禁带宽度为2.58 e V,且Fe的3d和S的3p轨道杂化在禁带中引入了两条杂质能级;随着掺Fe量的增加,杂质能级的宽度和峰高也随之增大;掺Cd闪锌矿的禁带宽度为2.68 e V,并在下价带底引入一条杂质能级;Fe/Cd共掺杂的闪锌矿禁带宽度为2.49 e V,在禁带中出现的两条施主杂质能级可提高闪锌矿的可见光响应及催化能力。计算结果为深入探讨天然闪锌矿的可见光催化机制提供了理论支持。     

关键带中天然半导体矿物光电子的产生与作用

在地球上最不均匀和最复杂的区域——关键带这一极为复杂的开放系统中,矿物与微生物无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的自然作用。文中总结了作者十余年来在矿物与微生物交互作用研究领域,侧重在半导体矿物与微生物协同作用研究方向上所取得的研究成果,重点简述了自然界中半导体矿物特征、半导体矿物光电子特性、矿物光电子促进生命起源与演化、微生物利用矿物光电子——光电能微生物的发现以及土壤矿物光电子与微生物协同固碳作用等研究工作。矿物与微生物之间电子转移和能量流动是关键带中最为重要的动力机制之一,探讨关键带中大量存在的天然半导体矿物如何转化太阳能为化学能或者生物质能的微观作用,可为揭示关键带中多个圈层之间交互作用如何影响地球物质演化、生物进化与环境演变的宏观过程提供理论依据,充满着科学发现与理论突破的机遇。     

半导体矿物及其与微生物作用研究方法与技术

自然界矿物的半导体属性是地表矿物重要的物理化学性质之一。半导体矿物可吸收利用太阳光能,驱动物质的地球化学循环,甚至与微生物发生交互作用,这是当前多学科交叉研究方向的前沿热点。本文归纳总结了半导体矿物的表征与测试技术,详细论述了半导体矿物与微生物交互作用体系的构建和研究方法,以期为开展相关领域的研究提供方法和技术参考。     

矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中的作用

地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物,但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子,提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高,在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量,是目前所发现的最高的矿物光电子能量,不仅能直接还原CO₂分子为甲酸物质,还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖,光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流,显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn₄CaO₅在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体,地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn₄CaO₅与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源,矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。     

热处理改性天然闪锌矿的可见光催化性能研究

天然闪锌矿是一种具有良好可见光催化性能的半导体光催化剂,然而其结构缺陷会成为光生电子的捕获阱,导致其光催化反应效率降低。为了进一步提高其可见光催化效率,本文在空气气氛下对天然闪锌矿进行了500～1 200℃的热处理改性实验研究,并利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)对热改性后样品的半导体物理化学性质进行了初步的表征分析;然后以甲基橙为目标降解物进行了热处理样品的光催化实验研究。研究结果显示,空气气氛下的热处理随着温度的逐渐升高,闪锌矿物相先转变为氧化硫酸锌,再转变为红锌矿和锌铁尖晶石,到1 100～1 200℃时样品完全转变为红锌矿-锌铁尖晶石二元复合半导体光催化剂,此时样品在可见光下对甲基橙的降解率从原样的54.2%提高到99.7%,1 100～1 200℃改性后样品的可见光催化性能最好。     

粪产碱杆菌在不同电极电势下的生长

粪产碱杆菌是土壤中最常见的异养微生物之一(Gamble等,1977),为革兰氏阴性杆菌,直径约0.7～1.0μm,周生鞭毛运动(丘元胜,1981),主营化能异养,亦可营兼性化能自养(李信等,1989),在微氧情况下具有固氮功能(尤崇杓,1983)。该菌不仅能联合水稻根部固氮,还能降解