矿物承载力，即一定物理化学条件下矿物晶格或表面负载“客体组分”的能力，是表面矿物学和低温地球化学领域的前沿问题。经典的矿物表面承载力模式认为，矿物表面存在相对固定的吸附位点容量，达到饱和后便难以继续固持金属离子。值得注意的是，富镁链层状黏土矿物凹凸棒石展现出一种独特的“承载力跃升”现象：在远低于高岭石、γ-Al2O3等常见矿物的初始钴浓度（0.1 mM vs. ≥0.6 mM）和表面覆盖度（0.15 μmol/m2 vs. ≥1.2 μmol/m2）条件下，凹凸棒石即可诱导表面沉淀形成，从而突破传统吸附位点的容量限制【图1】。这种由表面吸附向沉淀结晶的机制转变，是其实现承载力跃升的关键，但其背后的微观调控机制一直是个难题。
【图1 凹凸棒石、高岭石、γ-Al2O3表面沉淀形成的金属浓度和表面负载量对比】
近日，永利304官网唯一李伟教授团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》上发表最新研究成果，以富镁链层状黏土矿物凹凸棒石为研究对象，综合批吸附实验、扫描透射电镜（STEM-EDS）、扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱及密度泛函理论（DFT）计算，系统揭示了pH、金属浓度与矿物模板协同调控下，凹凸棒石表面诱导钴沉淀、实现承载力跃升的分子尺度机制。
pH——开启承载力跃升的“开关”：研究发现，pH是调控钴固持机制、触发承载力跃升的关键“开关”。在pH 6.0的酸性条件下，钴主要以表面络合形式固持，活化能仅为9.3 kJ∙mol-1，符合物理吸附与弱化学吸附的能量特征，此时承载力遵循传统吸附模式。当pH升至7.5的弱碱性条件下，钴的固持转变为表面诱导沉淀主导，活化能跃升至102.6 kJ∙mol-1，符合典型的成核控制化学沉淀过程。这一机制转变使得矿物表面可容纳远超吸附位点容量的钴，实现了承载力的显著跃升。
金属浓度——调控沉淀相类型，影响跃升幅度：在pH 7.5条件下，研究团队发现，随着钴浓度从0.1 mM增至3 mM，凹凸棒石表面同时形成钴-铝层状双氢氧化物（LDH）类和钴层状硅酸盐类两种沉淀相，且二者相对占比呈规律性演变：低钴浓度下LDH类沉淀占据主导，高钴浓度下层状硅酸盐类沉淀逐渐成为优势相【图2】。不同沉淀相的形成与占比变化，反映了表面微环境的逐步改变，进一步影响了承载力的跃升幅度。
【图2 不同钴浓度下EXAFS谱图及LCF分析揭示主导沉淀类型随钴浓度呈规律性演变】
矿物模板——决定沉淀类型与跃升路径：研究进一步表明，矿物本身的化学组成对承载力跃升的路径具有决定性作用。矿物的镁/铝比影响了次生金属沉淀相的类型：富镁黏土（凹凸棒石、海泡石、皂石）更易诱导形成层状硅酸盐型沉淀，而富铝矿物（高岭石、γ-Al2O3）则优先形成LDH型沉淀【图3】。这一“矿物模板效应”意味着，不同矿物因其晶体化学特性，承载力的跃升路径和最终达到的容量存在本质差异。
【图3 不同镁铝比矿物表面沉淀产物的EXAFS谱图（上）、矿物模板效应调控沉淀类型的示意图（下）】
突破传统认知——从微观机制到资源环境应用：综上，该研究首次发现，特定矿物结构可极大降低表面沉淀的触发条件：凹凸棒石在远低于常见富铝矿物的金属浓度或表面负载量下，即可诱导钴沉淀形成，实现矿物表面承载力的显著跃升。在环境相关条件下，pH、钴浓度与矿物镁/铝比是调控这一过程的核心因素。这一成果不仅为钴污染土壤、水体的绿色修复提供了精准的理论指导，也为理解红土型镍钴矿的成矿机制及关键金属资源富集过程提供了分子尺度依据，对钴的环境风险评估与战略金属资源管理均具有重要科学意义。
该研究成果近期发表于自然指数（Nature Index）期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》，是该团队关于凹凸棒石界面反应系列研究的第三篇GCA论文（Mo et al., 2021, 2023）。永利304官网唯一李伟教授为通讯作者，课题组毕业博士生莫昕欣（现为中国地质大学（武汉）特任副教授）为论文第一作者，合作作者包括西北农林科技大学张弛副教授、东京大学高桥嘉夫教授、美国德州理工大学Matthew G. Siebecker博士、美国特拉华大学Donald L. Sparks教授、永利304官网唯一顾雪元教授、蔡元峰教授及陆现彩教授。该研究受国家自然科学基金矿物学创新群体基金（42421002）和青年基金（42407305）、中国博士后科学基金（2024M753021、GZC20232466）等项目的资助。
论文信息：
Mo, X., Li, W., Zhang, C., Takahashi, Y., Gu, X., Siebecker, M.G., Cai, Y., Sparks, D.L., Lu, X., Molecular-scale insights into surface-induced cobalt precipitation on palygorskite: roles of pH, metal concentration, and mineral template, Geochimica et Cosmochimica Acta (2026), 419: 30-48.
相关研究：
Mo, X., Takahashi, Y., Siebecker, M.G., Gou, W., Wang, Z., Lu, X., Li, W., In situ/operando XAFS investigation of the sorption/precipitation of Zn (II) on palygorskite surface at the molecular scale: Implications for Zn stable isotope fractionation, Geochimica et Cosmochimica Acta (2023), 349: 64-80.
Mo, X., Siebecker, M.G., Gou, W., Li, W., EXAFS investigation of Ni (II) sorption at the palygorskite-solution interface: New insights into surface-induced precipitation phenomena, Geochimica et Cosmochimica Acta (2021), 314: 85-107.
图文：李伟、莫昕欣
审核：陈天宇
