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Manganese speciation in Mn-rich CaCO<sub>3</sub>: A density functional theory study
저자
Son, Sangbo ; Newton, Aric G. ; Jo, Kyoung-nam ; Lee, Jin-Yong ; Kwon, Kideok D.
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2019
작성언어
-주제어
등재정보
SCI,SCIE,SCOPUS
자료형태
학술저널
수록면
231-241(11쪽)
제공처
<P><B>Abstract</B></P> <P>The manganese content of aragonitic bivalve shells is a potential archival indicator of temporal Mn bioavailability in aquatic environments. The Mn speciation mechanism in biogenic aragonite minerals remains elusive because the analog is challenging to synthesize, and the metastable phase has yet to be fully resolved experimentally. In this study, we performed density functional theory (DFT) computations of hypothetical Mn-doped aragonite to examine its local coordination structure and thermodynamic and electronic properties. Our DFT calculations reproduced the experimental crystal structures and solubility product constants (<I>K</I> <SUB>sp</SUB>) of Mn-doped calcite. The magnetic moment of Mn was close to 5 <I>μ</I> <SUB>B</SUB> in both Mn-doped calcite and Mn-doped aragonite (Ca<SUB>1−</SUB> <I> <SUB>x</SUB> </I>Mn<I> <SUB>x</SUB> </I>CO<SUB>3</SUB>). The calculated <I>K</I> <SUB>sp</SUB> of Mn-doped aragonite was higher than that of Mn-doped calcite and increased with Mn content, indicative of the unfavorable coprecipitation of Mn with the aragonite phase. We found that the incorporation of a small mole fraction of Mn into aragonite created significant structural distortion around the Mn site, resulting in mixed coordination numbers of Mn (mainly five and seven). Valence-to-core X-ray emission spectroscopy (XES) measurements are useful in determining the coordination environment of Mn complexes. We calculated theoretical XES spectra, with a 1<I>s</I> core hole in Mn, for Mn-doped calcite and four versions of Mn-doped aragonite. The Boltzmann-averaged spectrum for different coordination numbers in Mn-doped aragonite was akin to an experimental XES spectrum of aragonitic bivalve shells. The energy position of the K<I>β</I> <SUB>2,5</SUB> band was calculated to be insensitive to Mn speciation in CaCO<SUB>3</SUB>; however, the band intensity was relatively sensitive to Mn speciation. The XES spectrum intensity decreased exponentially with increasing Mn–O distance. This quantitative XES relationship we report can reduce uncertainties in the spectral interpretation due to the absence of an Mn-doped aragonite reference spectrum.</P>
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