灰壤中伊毛缟石型纳米颗粒的表征：形态特征及其与铁的相互作用机制

本研究聚焦灰壤(Podzols)Bs层中伊毛缟石型纳米颗粒(ITN)的形态学特征及其与铁的关联机制。通过高分辨透射电镜(HR-TEM)和单颗粒电感耦合等离子体质谱(spICP-MS)等技术，揭示了ITN在土壤中的分布规律、三种原伊毛缟石(PIM)形态特征及铁相赋存状态，为建立阴离子吸附模型提供了关键理论基础。

　　

在斯堪的纳维亚半岛的酸性森林土壤中，阴离子的迁移转化过程长期受到纳米级次生铝沉淀物的深刻影响。这些被称为伊毛缟石型纳米颗粒(Imogolite-type nanoparticles, ITN)的物质，因其巨大的比表面积（可达700-1500 m² g^?1）和对磷酸盐(PO₄^3?)、砷酸盐(AsO₄^3?)等阴离子的强吸附能力而备受关注。然而，学界对ITN在自然土壤中的真实形态、尺寸分布及其与铁的相互作用机制仍存在认知空白，这严重制约了精准吸附模型的建立。

针对这一科学问题，瑞典农业科学大学的研究团队在《Geoderma》发表了创新性研究成果。研究人员选取瑞典中部三处灰壤剖面（Kloten、Paskalampa和Stor?）的Bs层样品，采用酸分散提取法获得<0.5 μm的ITN组分。通过HR-TEM观察形貌特征，spICP-MS测定粒径分布，结合能量色散谱(EDS)进行纳米尺度元素分析，并辅以傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线粉末衍射(XRPD)表征结构特征。

3.1 土壤基本性质与矿物组成
研究发现Paskalampa Bs2和Kloten Bs1层含有异常高的草酸盐提取态Al（分别达1580和1524 mmol kg^?1），其中Si_ox含量最高达695 mmol kg^?1，相当于土壤质量的14%为ITN。XRPD分析显示无定形Al-Fe相(Am-I)在Bs层占比超过20 wt%，且无机Al与Si_ox呈显著线性相关，证实ITN是表层活性铝的主要存在形式。

3.2 ITN的存在与鉴定
FTIR光谱在992和940 cm^?1处发现特征双峰，证实管状伊毛缟石的存在。值得注意的是，Bs1层因有机质稳定作用未检测到ITN信号，而随着深度增加，管状伊毛缟石比例显著升高。Kloten样品则以原伊毛缟石(Proto-imogolite, PIM)为主，表现为990 cm^?1处的宽吸收带。

3.3 ITN的形态特征
HR-TEM揭示了三种PIM形态：无定形团簇（Type 1）、碎片化纳米管（Type 2）和球状聚集体（Type 3）。其中Type 1占主导，常与管状伊毛缟石共生。spICP-MS测得PIM团簇中位粒径为50-57 nm，远大于单个伊毛缟石纳米管尺寸（外径2.0 nm）。在Paskalampa Bs3层还观察到长达数微米的纤维网络结构。

3.4 TEM-EDS元素分析
元素图谱显示Al、Si在ITN网络中均匀分布，而Fe（含量达9-19%）仅富集于Type 1 PIM团簇内。值得注意的是，管状伊毛缟石中未检测到Fe，且PIM团簇内的Fe呈均匀分布，排除了大颗粒水铁矿(Fh)共生的可能性，支持Fe以取代Al³⁺或表面吸附纳米簇形式存在。

这项研究首次系统阐明了自然土壤中ITN的多形态共存特征：PIM作为主要反应相，其三种形态结构差异显著影响表面活性位点分布；而Fe的特定赋存状态（取代/吸附）可能改变表面电荷特性。这些发现突破了传统吸附模型将ITN简单类比水铁矿的局限，为建立更精准的阴离子迁移预测模型提供了关键参数。特别是证实PIM团簇（而非单个纳米管）才是阴离子吸附的主要载体，这一认知将推动土壤界面化学理论的革新。未来研究需重点解析Fe-ITN复合体的表面酸碱常数，以完善表面络合模型在复杂土壤体系中的应用。