Project

Back to overview

Synergistic effects of redox processes and ligand controlled dissolution of iron(hydr)oxide phases

English title Synergistic effects of redox processes and ligand controlled dissolution of iron(hydr)oxide phases
Applicant Hug Stephan
Number 150150
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (EAWAG)
Institution of higher education Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology - EAWAG
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.12.2014 - 31.12.2018
Approved amount 385'841.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Geochemistry

Keywords (8)

dissolution; reduction; photo; ligand; ironoxide; infrared spectroscopy; molecular orbital calculations; iron(hydr)oxide

Lay Summary (German)

Lead
Die Auflösung von festen Eisen(hydr)oxidphasen ist einer der wichtigsten Prozesse im natürlichen Kreislauf des Eisens und in der Aufnahme von Eisen durch pflanzliche und tierischen Zellen als lebenswichtiges Spurenelement. Da Eisen(hydr)oxide bei neutralem pH fast unlöslich sind, scheiden Mikroorganismen und Pflanzen organische Substanzen aus, die die Löslichkeit und die Geschwindigkeit der Auflösung erhöhen. Dazu gehören organische Liganden, die die Löslichkeit des dreiwertigen Eisens erhöhen, und Reduktionsmittel, die das dreiwertige Eisen zum besser löslichen zweiwertigem Eisen reduzieren können. In diesem Projekt wird untersucht, wie Reduktionsmittel und Liganden kooperieren, um die Verfügbarkeit des Eisens zu erhöhen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

In diesem Projekt wollen wir vor allem das Zusammenspiel zwischen einer teilweisen Reduktion von Eisen(hydr)oxiden und ligandenkontrollierter Auflösung untersuchen. Durch Anwendung von spektroskopischen Methoden und Molekülorbitalrechnungen, wollen wir die entscheidenden Prozesse auf molekularer Ebene verstehen. Neue, in den letzten Jahren entwickelte Ideen sollen getestet und weiterentwickelt werden. Wir gehen von Hypothese aus, dass Elektronen in Eisen(hydr)oxiden mobil sind und dass eine Teilreduktion von typischen Eisen(hydr)oxidphasen wie zum Besipiel Lepidokrokit oder Goethit zu einer insgesamt schnelleren Auflösung führt. Dabei soll es nur eine untergeordnete Rolle spielen, ob die Reduktion durch Adsorption von Fe(II), durch Reduktion mit einem reduzierenden Liganden, oder durch eine photochemische Reaktion stattfindet.  Diese und weitere detaillierte Hypothesen werden wir durch eine Kombination von kinetischen und spektroskopischen Experimenten und Analysen von gemessenen Infrarotspektren mit Molekuelorbitalrechnungen testen und weiterentwickeln.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Unsere Arbeit soll zu einem tieferen Verständnis und von in der Praxis brauchbaren Konzepten und Modellen führen. Die Verfügbarkeit von Eisen spielt für Algen in  Ozeanen für die Aufnahme von CO2 eine entscheidenden Rolle, ebenfalls für das Wachstum von Pflanzen in eisenarmen Böden. Da Eisen(hydr)oxidphasen vielfach sowohl lebenswichtige wie auch toxische Spurenelemente (z. Bsp. Chrom, Selen, Arsen) adsorbieren und enthalten, ist die Auflösung von Eisen(hydr)oxiden oft auch mit der Freisetzung dieser Spurenelemente verbunden. Verbesserte konzeptuelle und wenn möglich quantitative Modelle zur Beschreibung der Auflösung von Eisen(hydr)oxidphasen sind daher für das Klima, die Nutzung von Wasserressourcen und für die Landwirtschaft von grossem wissenschaftlichem und gesellschaftlichem Interesse.

Direct link to Lay Summary Last update: 18.11.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Fe(II)-Catalyzed Ligand-Controlled Dissolution of Iron(hydr)oxides
Biswakarma Jagannath, Kang Kyounglim, Borowski Susan C., Schenkeveld Walter D.C., Kraemer Stephan M., Hering Janet G., Hug Stephan J. (2018), Fe(II)-Catalyzed Ligand-Controlled Dissolution of Iron(hydr)oxides, in Environmental Science & Technology, 53(1), 88-97.
Low Fe(II) Concentrations Catalyze the Dissolution of Various Fe(III) (hydr)oxide Minerals in the Presence of Diverse Ligands and over a Broad pH Range
Kang Kyounglim, Schenkeveld Walter D. C., Biswakarma Jagannath, Borowski Susan C., Hug Stephan J., Hering Janet G., Kraemer Stephan M. (2018), Low Fe(II) Concentrations Catalyze the Dissolution of Various Fe(III) (hydr)oxide Minerals in the Presence of Diverse Ligands and over a Broad pH Range, in Environmental Science & Technology, 53(1), 98-107.
Structure and reactivity of oxalate surface complexes on lepidocrocite derived from infrared spectroscopy, DFT-calculations, adsorption, dissolution and photochemical experiments
Borowski Susan C., Biswakarma Jagannath, Kang Kyounglim, Schenkeveld Walter D.C., Hering Janet G., Kubicki James D., Kraemer Stephan M., Hug Stephan J. (2018), Structure and reactivity of oxalate surface complexes on lepidocrocite derived from infrared spectroscopy, DFT-calculations, adsorption, dissolution and photochemical experiments, in Geochimica et Cosmochimica Acta, 226, 244-262.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
James D. Kubicki, Professor of Geochemistry, The Pennsylvania State University. United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Goldschmidt conference Talk given at a conference Fe(II)-catalyzed Ligand-Controlled Dissolution of FeOOH: ATR-FTIR, Isotopic, and Kinetic Studies 16.08.2018 Boston, United States of America Biswakarma Jagannath; Hering Janet; Borowski Susan; Kraemer Stephan; Hug Stephan;
Goldschmidt conference Talk given at a conference Ligand-Controlled Fe(hydr)oxide Dissolution Catalyzed by Electron Transfer 13.08.2017 Paris, France Hering Janet; Kraemer Stephan; Borowski Susan; Biswakarma Jagannath; Hug Stephan;
International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements (ICOBTE) Talk given at a conference Catalytic effect of Fe(II) on ligand-controlled dissolution of lepidocrocite 16.07.2017 Zurich, Switzerland Hug Stephan; Borowski Susan; Hering Janet; Kraemer Stephan; Biswakarma Jagannath;
European Geosciences Union General Assembly Talk given at a conference Ligand-controlled Fe mobilization catalyzed by adsorbed Fe (II) on Fe (hydr) oxides 23.04.2017 Vienna, Austria Hug Stephan; Hering Janet; Kraemer Stephan; Biswakarma Jagannath; Borowski Susan;
Swiss Geoscience Meeting Talk given at a conference Fe(II)-catalyzed ligand-controlled dissolution of iron (hydr)oxides 18.11.2016 Geneva, Switzerland Borowski Susan; Hug Stephan; Biswakarma Jagannath; Hering Janet; Kraemer Stephan;
Goldschmidt conference Poster Structures of carboxylates on iron(hydr)oxide surfaces studied with FTIR and DFT calculations 16.08.2015 Prague, Czech Republic Hug Stephan; Borowski Susan; Kraemer Stephan;


Abstract

The dissolution of iron(hydr)oxides is a key process in the natural iron cycle and in biologicaliron acquisition. Iron(hydr)oxides often also control the mobility of trace elements in soils and aquifers and their removal in water treatment. In this project, we draw on newly developed concepts of electron mobility in iron(hydr)oxide phases and on our own observations to explain and quantify synergistic effects between reduction and ligand promoted dissolution. We will test and investigate the key processes on the molecular level based on the main hypothesis that electrons in iron(hydr)oxides such as lepidocrocite and goethite are mobile and that partial reduction will to lead accelerated dissolution, where the reduction can occur by adsorption of Fe(II), electron transfer from a reductive ligand, or light-induced electron transfer. This hypothesis will be tested with experimental and theoretical studies. We will conduct adsorption and dissolution experiments in the dark and with UV-A and visible light to determine the reaction kinetics, and in-situ infrared spectroscopic measurements to determine bulk and surface structures in combination with molecular orbital calculations. The combination of experiments, spectroscopy and calculations will lead to an improved molecular understanding of the key processes and allow us to develop models that will describe the impact of the degree and persistence of reduction on the dissolution kinetics. Improved models are of key importance in understanding and predicting the bioavailability of iron in natural environments and the properties and role of iron(hydr)oxide phases in controlling the availability of trace elements in natural and technical systems.
-