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仪表网 研发快讯】作为重要的载金矿物，黄铁矿对金的富集成矿机制一直备受关注。金离子在黄铁矿表面的吸附还原可形成纳米金，进而驱动金的高效沉淀。前人对黄铁矿与纳米金之间的关系开展了大量研究，提出纳米金在黄铁矿内部或表面沉淀的三种常见途径：①黄铁矿内部的晶格金转变为纳米金；②含金黄铁矿风化过程中释放金进而形成纳米金；③纳米金在黄铁矿与含金溶液界面处成核。然而，由于缺乏纳米尺度的原位液相观测，纳米金在黄铁矿-水界面的成核机制与生长动力学过程仍不清楚。
为了阐明纳米金在黄铁矿-水界面沉淀的微观动力学和反应机制，中国科学院广州地球化学研究所与合作团队，采用原位液相透射
电子显微镜和热力学模拟等方法，系统研究了亚微米级黄铁矿颗粒在氯金酸溶液中的界面反应过程。研究发现，在10 ppb(十亿分比浓度)的低浓度含金溶液中，黄铁矿-水界面可形成一种致密液体层，该液体层与黄铁矿的等效半径之间呈负相关，故致密液体层的形成依赖于黄铁矿的溶解(图1)。黄铁矿-水界面形成的致密液体层具有复杂的内部化学成分(包括AuOH(aq)、FeOH2+、FeO+、Cl-、H+、SO42-、Fe2+、Sn2-、ROS和Fe3+等)，这一独特的微环境为多种化学反应提供了关键场所，包括纳米金的成核与生长以及铁氧化物的相转变等过程(图1)。进一步对致密液体层和体相溶液进行热力学模拟发现，在致密液体层中，当-65<氧逸度(logfO2(g))<-26时，体系满足纳米金的成核条件；而体相溶液中的logfO2(g)条件则无法实现纳米金的成核(图2)。金的溶解度与logfO2(g)呈显著正相关，故黄铁矿溶解导致致密液体层中logfO2(g)降低是驱动纳米金沉淀的主要原因。
该研究从纳米尺度揭示了黄铁矿从欠饱和流体中富集金的新机制，提出黄铁矿-水界面的致密液体层能够萃取体相溶液中的金，形成适宜于纳米金成核与生长的饱和微环境。这种与致密液体层相关的金富集机制可同时适用于热液型金矿床(如造山型、卡林型及浅成低温热液型)和表生金富集过程，从而为黄铁矿富集金提供新视角。
图1. 黄铁矿-水界面致密液体层中AuNPs的沉淀过程。(A-M)原位液相透射电镜观测黄铁矿与10 ppb HAuCl4溶液(pH=3.5)反应的时间演化序列；黄色箭头指示致密液体层的形成，红色圆圈标记AuNPs的沉淀位置；(N-O)原位液相透射电镜拍摄的AuNPs高分辨透射电镜图像及对应快速傅里叶变换图谱；(P)黄铁矿与致密液体层的等效半径变化趋势；(Q)AuNPs颗粒数量与粒径随时间的变化
图2. (A)体相溶液与(B)致密液体层中金的溶解度相图；(C)致密液体层中铁的溶解度相图；(D)致密液体层中的主要含铁物种
该研究由中国科学院广州地球化学研究所研究员朱建喜和鲜海洋、江西省科学院副研究员唐红梅、厦门大学教授廖洪钢及东华理工大学副教授邓腾等合作完成。相关成果发表于国际期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。本文第一作者为国科大博士毕业生唐红梅(培养单位：中国科学院广州地球化学研究所)，通讯作者为国科大硕士生导师、中国科学院广州地球化学研究所研究员鲜海洋。该研究由国家自然科学基金(42202041)、江西省自然科学基金(20242BAB20136)、广东省基础与应用基础研究基金杰出青年项目(2022B1515020007)及江西省科学院研究项目(2022YSBG22017和2023YJC2010)联合资助。
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