图 多尺度黏土矿物表面络合模型的构建

　　以蒙脱石为代表的2:1型黏土矿物是地球表层最为丰富的矿物类型，因其比表面积高、层间阳离子交换容量大、表面活性强而成为控制金属元素地球化学循环和重金属环境归趋的关键矿物。精准预测多种金属在黏土矿物表面的竞争吸附行为是揭示金属元素地球化学行为和研发重金属污染修复材料的关键科学问题。传统的表面络合模型（Surface Complexation Model, SCM）源自经验假设与实验数据拟合，缺乏界面反应机制的理论支撑，导致该模型的可移植性和拓展性差，虽能描述单一金属的吸附行为，但对多种金属竞争吸附尚不能准确预测。

　　在国家自然科学基金项目（批准号：42125202、42402043、42421002）等资助下，南京大学地球科学与工程学院计算矿物学团队的高鹏元博士后、刘显东教授和陆现彩教授，联合法国奥尔良大学 Christophe Tournassat 教授，构建了一套能够模拟黏土矿物表面竞争吸附的多尺度模型。研究成果以“黏土矿物表面金属离子竞争吸附的精确模拟框架（An accurate and efficient framework for modeling multimetal competitive adsorption on clay minerals）”为题，于2026年2月24日发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。论文链接: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2527567123。

　　该模型基于第一性原理分子动力学计算（First-Principles Molecular Dynamics, FPMD），自下而上整合晶体结构和界面反应性，精确厘定矿物表面吸附位点的几何参数与酸度以及金属离子的吸持机制（包括金属离子的晶格置换、层间的阳离子交换、边缘表面上的竞争-吸附），从而实现对竞争吸附的精确模拟。这一模型能够成功再现多金属离子竞争吸附体系的实验数据，预测能力明显优于当前被广泛应用的双位点非静电离子交换模型（2SPNE SC/CE）。该模型还能解析pH升高背景下三类吸附机制—阳离子交换、独立吸附与竞争吸附的转换，定量描述不同金属在黏土矿物表面的分配行为。

　　该研究为多种元素的地球化学循环与环境行为的跨尺度研究提供了新的理论框架，在理解金属成矿、研发土壤修复技术以及核废物屏障安全评价等领域具有重要的应用前景。