Fe-Mn改性生物炭通过打破电子供给限制实现土壤Cu/Pb稳定化与碳固存的双重协同机制

《Separation and Purification Technology》：Fe-Mn modified biochar achieves Cu and Pb stabilization and soil carbon sequestration by breaking the electronic supply restrictions of the material

　　本文创新性地构建了Fe-Mn改性生物炭(MF)材料，通过MnFe2O4的混合价态打破碳材料的电子供给限制，实现了土壤有机碳(SOC)矿化抑制（碳固存效率提升32%）与重金属(Cu2+/Pb2+)稳定化（残渣态提升至30-40%）的双重功能协同，为电子转移调控的多功能环境材料设计提供了新范式。

　　

Highlight

Fe-Mn改性生物炭通过打破材料的电子供给限制，实现铜铅稳定化与土壤碳固存

材料制备

将约20克木屑用蒸馏水冲洗2-3次后，在70°C下干燥至恒重。干燥材料在马弗炉中500°C热解2小时，冷却至室温后研磨得到原始木屑生物炭(SC)。改性生物炭的制备采用三价铁(Fe³⁺)和二价锰(Mn²⁺)分步浸渍法：木屑先浸泡在0.5 mol/L Fe₂(SO₄)₃溶液24小时，再转入0.25 mol/L MnSO₄溶液浸渍24小时，最后在500°C下热解2小时获得最终产物(MF)。

材料形貌与元素组成

扫描电镜(SEM)显示SC呈块状结构表面光滑，而MF表面粗糙且负载大量致密颗粒。元素分布图谱(EDS-mapping)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明SC主要含C、O、N元素（含量分别为85.73%、11.26%、3.01%），MF则新增Fe、Mn元素（含量分别为2.15%、1.86%），且Fe/Mn摩尔比接近2:1，暗示MnFe₂O₄的形成。

结论

本研究证实通过Fe³⁺和Mn²⁺浸渍改性的MF材料突破了碳基材料的电子供给限制，通过电子转移与表面络合机制的耦合，实现了碳固存与重金属稳定化的双重协同，同时保护了碳结构本身。主要发现包括：

（1）Fe³⁺和Mn²⁺改性成功在生物炭表面负载MnFe₂O₄晶体；

（2）MF材料使碳固存效率提升32%，重金属残渣态比例显著增加；

（3）混合价态体系促进电子从生物炭向重金属转移，实现还原固定；

（4）材料有效调控微生物群落结构，抑制土壤有机碳(SOC)矿化。