暴露在電解質溶液中的拋光鐵在暴露於氧氣和片狀異質混合物時會降解並形成碳酸鐵和碳酸鈣薄膜。
用肉眼很容易看出，將舊釘子留在雨中會導致生鏽。需要用顯微鏡和光譜學敏銳的眼睛和靈敏的鼻子來觀察鐵如何腐蝕和形成新的礦物質，尤其是在含有少量鈉和鈣的水中。
由於密歇根理工大學化學家開發的一項新技術，可以透過表面分析更詳細地研究該過程的初始階段。該團隊由化學助理教授 Kathryn Perrine 領導，最近在The Journal of Physical Chemistry A 上發表了他們的最新論文。
該小組的主要發現是，溶液中的陽離子——帶正電荷的鈉離子或鈣離子——會影響暴露在空氣中時生長的碳酸鹽薄膜的型別，空氣由大氣中的氧氣和二氧化碳組成。氧氣和二氧化碳的逐漸暴露會產生特定於陽離子的碳酸鹽薄膜。不同形狀和形態的氫氧化鐵沒有逐漸暴露在空氣中，不特定於陽離子。
更好地瞭解這一過程以及礦物質形成的速度為監測二氧化碳捕獲、水質副產品和改善舊橋樑和管道的基礎設施管理開闢了可能性。
方法論走向跨學科
儘管鐵鏽和相關的鐵礦物是地球表面生命的一個眾所周知的組成部分，但它們形成的環境非常複雜和多樣。鐵鏽通常由氧化鐵和氫氧化鐵組成，但腐蝕也會導致碳酸鐵和其他礦物質的形成。對於每種形式，很難理解預防或生長它的最佳條件。Perrine 以弗林特水危機等重大環境問題為例，說明像生鏽這樣簡單的事情如何容易陷入更復雜、更不受歡迎的後續反應。
“我們希望測量和揭示真實環境中的化學反應，”Perrine 說，並補充說她的團隊特別關注表面化學、水、金屬和空氣相互作用的薄層和薄膜。“我們必須在我們的分析工具中使用高水平的 [表面] 靈敏度來獲取正確的資訊，這樣我們才能真正說出表面機制是什麼以及 [鐵] 如何轉變。”
研究材料的表面科學本質上是跨學科的。從材料科學到地球化學，從土木工程到化學，Perrine 將她的工作視為一座橋樑，幫助其他學科更好地為他們的過程、模型、干預和創新提供資訊。為此，她的團隊的研究需要高精度和高靈敏度。
雖然確實存在其他監測表面腐蝕和薄膜生長的方法，但 Perrine 的實驗室使用了一種表面化學方法，可用於分析複雜環境中的其他還原和氧化過程。在一系列論文中，他們審查了他們的三階段過程——評估電解質成分的變化，並使用空氣中的氧氣和二氧化碳作為反應物，觀察在空氣-液體-固體中觀察到的不同礦物質的實時形成介面。
精確測量是觀察化學的分子鏡頭
該團隊使用的分析技術是表面敏感技術：偏振調製紅外反射吸收光譜 (PM-IRRAS)、衰減全反射傅立葉變換紅外 (ATR-FTIR) 光譜、X 射線光電子能譜 (XPS) 和原子力顯微鏡（AFM）。
“光譜告訴我們化學性質；顯微鏡告訴我們物理變化，”Perrine 說。“[用 AFM 實驗][成像]這些腐蝕實驗真的很困難，因為表面在不斷變化，而溶液在腐蝕過程中也在變化。”
影象所揭示的是一系列點蝕、咀嚼和表面降解，稱為腐蝕，它為礦物質的生長產生成核位點。關鍵部分是觀察初始階段作為時間的函式。
“我們可以觀察腐蝕和薄膜生長隨時間的變化。氯化鈣[溶液] 傾向於更快地腐蝕表面，因為我們有更多的氯離子，但碳酸鹽的形成速度也更快，”Perrine 說，並補充說在她的實驗室錄製的影片中，可以看到氯化鈉溶液如何逐漸腐蝕鐵表面，並隨著溶液變幹而繼續生鏽。
她補充說，由於鐵在環境系統中無處不在，減緩和密切觀察礦物質的形成歸結為調整它在不同溶液中如何轉化和暴露在空氣中的變數。
該團隊的表面催化方法幫助研究人員更好地瞭解基礎環境科學和其他型別的表面過程。希望他們的方法可以幫助揭示導致水汙染的機制，找到減少二氧化碳排放的方法，防止橋樑倒塌，激發更智慧的設計和更清潔的燃料，並提供對地球地球化學過程的更深入瞭解。
