地空学院鲁安怀课题组在PNAS发表矿物转化太阳能的新发现

      2019年4月22日《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在线发表了北京大学地球与空间科学学院鲁安怀、李艳和丁竑瑞以及物理学院刘开辉与美国Virginia Tech大学Michael F. Hochella Jr.等合作完成的题为“Photoelectric conversion on Earth’s surface via widespread Fe- and Mn-mineral coatings”的研究成果（网址：https://www.pnas.org/content/early/2019/04/16/1902473116）。

      地球陆地上有机生物和无机矿物共同暴露在阳光下。众所周知的是，数十亿年来有机生物进化出复杂而精巧的胞内光合作用系统，可将太阳能转化为生物化学能，这一机制已得到深刻认识与广泛利用。然而，在自然界尚未观察到非生物的太阳光收集与利用系统，即暴露在太阳光下地球表面广泛分布的天然矿物，其长期受到太阳光辐射的响应机制，一直未被认识与利用。

      鲁安怀等率先在自然界发现了无机矿物转化太阳能系统，提出太阳光不仅作用于地表生物发生经典光合作用，也一直作用于地表矿物发生非经典“矿物光合作用”。他们通过对中国北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和红壤等典型地貌中岩石/土壤样品的深入系统观测分析，发现直接暴露在太阳光下的岩石/土壤颗粒体表面普遍被一层铁锰（氢氧）氧化物 “矿物膜”（mineral coating）所覆盖。“矿物膜”厚度从数十纳米到上百微米不等，其结构构造与化学成分显著区别于被包覆的岩石或土壤，富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物，呈现出“膜”状结构构造特征。特别地，“矿物膜”产出特征和发育状况与日照关系极为密切，如富锰矿物仅在日光照射下的红壤矿物颗粒、喀斯特和戈壁岩石正面“矿物膜”中出现，常见半导体性能优良的层状结构水钠锰矿，而无光照的岩石背面则不富集水钠锰矿。在全球陆地系统中，深色富锰“矿物膜”的分布恰与太阳光的强辐射区域相吻合。此现象在类地行星表面也有发现，如火星表面同样发现深色富锰“矿物膜”存在于裸露岩石表面的证据。这一发现还表明，在锰化合物光电转化性能上，岩石/土壤表面接受太阳光辐射的富锰“矿物膜”与生物光合作用系统PSII光反应释氧活性中心为锰簇（配）合物，具有异曲同工之妙。

      通过应用微区与原位光电测试手段，直接测定天然“矿物膜”半导体光电效应，已获得“矿物膜”与基岩高分辨率（微米）光电流信号面分布结果。发现富铁锰“矿物膜”区域表现出显著的光电流信号，而无铁锰元素富集的基岩不产生光电流响应（图1）。揭示出天然“矿物膜”具有稳定、灵敏的日光光子—光电子转换能力，获得其在一定波长下具有恒定光电转化效率（IPCE）的新认识，证实地球陆地上无机矿物也是太阳光能量吸收与转化的一类重要物质。

图1 地表铁锰氧化物半导体“矿物膜”原位产生日光光电流效应

      针对地表广泛发育的铁锰氧化物“矿物膜”具有太阳光光电转化的半导体效应这一自然规律的发现，他们提出在阳光照射下地表铁锰氧化物“矿物膜”是地球上分布最广的太阳能薄膜“新圈层”，无疑承载着吸收转化太阳能并驱动地球化学元素循环、地球物质演化与地球环境演变等重要功能（图2）。这一新发现为深刻理解日光照射下地表矿物所驱动的外动力地质作用，及其在地球环境演化与生物进化过程中所扮演的重要角色提供了崭新视角，极大地提升了对于无机自然界中存在与生物光合作用相当的太阳能转化利用系统的认知水平。

      在自然界已知的太阳光子和元素价电子两种基本能量形式基础上，他们新提出矿物光电子是地表普遍存在的第三种能量形式的理论。这一新发现拓展了经典光合作用模型，为地球生命活动能量来源及地表地球化学过程吸收利用太阳能提供了新模式，也为太阳系中类地行星如火星表面无机矿物转化利用太阳能提供了重要借鉴，将产生深远的影响。

图2 类似人工太阳能薄膜功能的地表天然“矿物膜”构成了地球“新圈层”

     该项研究工作主要获国家973项目（2014CB846001）、国家重点研发计划（2016YFA0300903）和国家自然科学基金重点项目（41230103）及优秀青年基金项目（41522201）等资助。