报道了一种具有氧化还原活性的层状双氧化物（MgMn-LDO），用于高效协同去除水体与土壤中砷(III)（As³⁺）与镉（Cd²⁺）的复合污染。该材料在共存体系中展现出优异的吸附性能，对As³⁺和Cd²⁺的吸附容量分别达821.7mgg⁻¹和1895.6mgg⁻¹，且共吸附体系较单一体系吸附速率提升181倍。研究通过四阶段时空有序拓扑转化机制，成功解耦As³⁺的氧化与Cd²⁺的吸附过程，逆转传统竞争顺序，实现砷的优先氧化与镉的晶格取代，最终形成稳定矿化结构。该材料在真实矿山废水与污染土壤的中试修复中表现突出，具备良好的实际应用潜力。

1科学问题

As³⁺与Cd²⁺在传统吸附材料上存在竞争抑制，尤其Cd²⁺易优先占据表面羟基位点，阻碍As³⁺的氧化与固定。

传统金属氧化物吸附容量有限（通常低于200mgg⁻¹），且在高浓度复合污染中动力学缓慢。

如何在维持材料结构稳定的前提下，实现As³⁺的高效氧化与Cd²⁺的同步固定，是复合污染修复中的关键挑战。

2研究方案

材料制备：通过共沉淀法合成MgMn-LDH（Mg:Mn=5:1），经350℃煅烧获得MgMn-LDO。

吸附实验：在As³⁺/Cd²⁺共存体系中系统考察吸附容量、动力学、pH与共存离子影响，并开展实际废水与土壤修复试验。

机理表征：结合XRD、XPS、EXAFS、TEM、EPR等技术，揭示材料在吸附过程中的结构演变与元素分布。

理论计算：采用密度泛函理论（DFT）计算结合能、吉布斯自由能、扩散能垒等，从能量角度验证反应路径与协同机制。

拓扑转化阶段分析：将吸附过程归纳为四阶段拓扑转化：-阶段Ⅰ：LDH→LDO（热触发）-阶段Ⅱ：LDO→LDO(H)（水解触发，体相羟基化）-阶段Ⅲ：LDO(H)→LDH(As³⁺)（As³⁺氧化触发，电子转移）-阶段Ⅳ：LDH(As³⁺)→Cd-LDH(As³⁺/Cd²⁺)（Cd²⁺晶格取代触发，通道扩展）

3结论

协同提升效应：As³⁺与Cd²⁺在LDO上不仅无竞争抑制，反而相互促进吸附容量与速率，As³⁺吸附速率提升181倍。

体相羟基化机制：LDO富含金属缺陷与氧空位，可实现全层羟基化，提供大量吸附位点。

时空有序拓扑转化：As³⁺优先被Mn⁴⁺氧化为As⁵⁺，同时Mn⁴⁺还原为Mn³⁺，触发LDO向LDH结构恢复；Cd²⁺随后通过同晶取代Mg²⁺进入层板，引起晶格膨胀，扩展As³⁺扩散通道。

实际修复性能：在矿山废水中，As和Cd浓度分别从0.257mgL⁻¹和1.153mgL⁻¹降至0.012mgL⁻¹和0.008mgL⁻¹；在污染土壤中，浸出液As和Cd浓度分别降低89.9%和91.5%。

材料可扩展性：LDO具备公斤级合成能力，适用于规模化修复应用。

不足与展望

材料中Mn含量过高会降低吸附效率，最佳Mg:Mn比为5:1，未来可进一步优化组分调控策略。

本研究集中于As/Cd体系，该拓扑转化机制是否适用于其他重金属复合污染（如Pb、Cu等）仍需验证。

长期现场修复中材料的稳定性、再生性能及潜在次生释放风险需进一步评估。

未来可结合机器学习等手段，预测材料在复杂环境介质中的行为，推动智能修复材料设计。