锑（Sb）是美国环保署（EPA）评定的优控污染物之一，其化学性质与砷类似，Sb(III)的毒性大于Sb(V)。Sb2O3是表生环境中的一种重要的次生矿物，由原生矿物Sb2S3风化形成，也是一种重要人工合成化合物，被广泛应用于材料阻燃、表面涂层和塑料催化合成，是国际癌症研究署（IARC）认定的潜在致癌物。污染土壤中的锰氧化物与锑广泛共存，促进Sb2O3在土壤中的氧化溶出。受制于表面钝化机制，锰氧化物对Sb2O3的氧化能力会随二者反应的进行逐渐降低。然而，实际环境中锰氧化物在Sb2O3表面的原位生成耦合Sb2O3氧化溶出的过程尚不明晰。
此前，实验室王玉军研究员团队对Sb(III)在水钠锰矿表面的吸附和氧化机制开展了深入探究，发展出一套机理性动力学模型，较好地刻画了Sb在水钠锰矿表面的吸附/解吸-氧化耦合动力学行为，结果显示，Sb(III)在水钠锰矿的边缘位点经历快速固液分配过程后，迅速被氧化生成Sb(V)，再经历解吸过程释放至溶液中。相关研究结果发表于Environmental Science: Processes & Impacts (2018, 20, 1691-1696, hot article)和Environmental pollution (2019, 246, 990-998)。
近期，该团队围绕Mn(II)界面催化耦合Sb2O3氧化溶出动力学过程开展了进一步研究。利用电子显微镜、同步辐射谱学、密度泛函计算和化学动力学模型等手段揭示其转化分子机制，结果显示在碱性有氧条件下，Sb2O3表面催化氧化Mn(II)生成无定形锰氧化物（MnOx），MnOx促进了Sb2O3的氧化溶出，释放出Mn(II)和Sb(V)。部分Sb(V)以双齿双核共角结构吸附固定于MnOx表面，同时还原溶出的Mn(II)经催化氧化再次形成MnOx，该过程有效克服表面钝化，为Sb2O3的氧化溶出提供了持续的热力学驱动力。机理性化学动力学模型能较好描述上述多步反应的耦合过程，敏感性分析和焦磷酸盐抑制实验证实Mn(III)的生成为此过程的关键步骤。方锑矿（α-Sb2O3，立方体型）和锑华（β-Sb2O3，正交晶型）为两种共存Sb2O3，在上述条件下显示出不同的溶解速率。锑华的主导晶面分别为{010}，{110}和{310}，相比于方锑矿的主导{111}晶面，有更高的表面能和更低的导带最小能级，因此显示出更强的表面催化活性及更快的氧化溶出速率。该过程可外推至其他金属/类金属氧化物，如Cr2O3的返黄和UO2的氧化溶解等，为深刻理解实际环境中Mn的氧化还原过程及其环境意义提供理论支撑。
相关研究结果于近期发表于Water Research (2022, 217, 118403)，特别研究助理吴同亮为论文第一作者，王玉军研究员为论文通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划和中国博士后基金等项目资助。
