摘要：自工业化以来，全球大气中CO2的平均浓度从1750s年代的280 ppm上升至2020s年代的420 ppm。这一增长主要归因于化石燃料燃烧、工业过程产生的排放，以及土地利用方式的改变。按照目前的趋势，到2100年，大气中的CO2浓度可能达到540~970 p

副标题：热Ca2+/Mg2+交换反应合成CO2去除材料

自工业化以来，全球大气中CO2的平均浓度从1750s年代的280 ppm上升至2020s年代的420 ppm。这一增长主要归因于化石燃料燃烧、工业过程产生的排放，以及土地利用方式的改变。按照目前的趋势，到2100年，大气中的CO2浓度可能达到540~970 ppm，导致全球平均气温上升1.8~4 °C [1, 2]。这种幅度的气温上升将对水资源和粮食供应、人类健康、生态系统、海岸线及生物多样性造成广泛且严重的影响。

碳捕集与封存技术。图片来源：中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2023）[3]

在自然界中，通过风化作用，碱性物质与CO2发生化学反应，形成固态碳酸盐矿物，实现CO2的直接空气捕集与封存。其中，常见的硅酸盐矿物在水和CO2的作用下，会形成稳定的碳酸氢根离子和碳酸盐矿物。然而，天然硅酸盐的风化过程极为缓慢，预计每年只能除去约0.5 Gt的CO2，并通过河流以HCO3–的形式输送至海洋，在海洋中的停留时间将超过10000年。

自上世纪九十年代以来，科学家们一直在探索如何通过增强风化技术加速对CO2的吸收。目前的试点项目，利用含Mg2+、Ca2+或单价阳离子的硅酸盐矿物，在湿润条件下自然除去CO2。在这种环境下，硅酸盐矿物的质子化会释放出阳离子，转化为硅酸（Si(OH)4）和二氧化硅（SiO2），同时将CO2以HCO3–的形式封存，从而加速碳封存过程。

加速自然风化反应。图片来源：PxD [4]

近日，斯坦福大学Matthew W. Kanan教授与Yuxuan Chen博士在Nature杂志上发表论文，展示了一种全新的方法可将反应缓慢的硅酸盐风化反应转化为更具活性的矿物，从而高效捕获和封存大气中的二氧化碳。这一方法的灵感来源于几百年前用于制造水泥的工艺，利用CaCO3和CaSO4与各种富镁硅酸盐（如橄榄石等）在煅烧条件下发生定量反应，生成Ca2SiO4和MgO。混合物直接吸收空气中的CO2，可在数小时内完全碳化，转变为CaCO3和Mg(HCO3)2。能源需求分析表明，全过程每除去1吨CO2，消耗能量低于1兆瓦时（MWh），仅相当于当前最先进的直接空气捕集技术能耗的一半，展现出了较高的能源利用效率和应用前景。

Yuxuan Chen博士与Matthew Kanan教授（右）。图片来源：斯坦福大学 [5]

首先，CaCO3通过吸热的煅烧反应，生成CaO，并释放出CO2。这一步是该过程的主要能量需求，释放的CO2将在后续步骤中被捕集。根据相图，CaO与Mg2SiO4按2:1的摩尔比反应，可生成Ca2SiO4和2MgO，这一过程称为Ca2+/Mg2+交换反应，且是放热反应。颗粒MgO会自发转化为Mg(OH)2，相比硅酸镁盐类，Mg(OH)2具有更高的反应活性。同时，Ca2SiO4也是一种高度活跃的硅酸盐。

Ca2+/Mg2+交换反应及其在碳捕集与封存过程中的应用。图片来源：Nature

研究者首先选择橄榄石（Mg2–xFexSiO4，x≈0.15）为原料，与CaCO3反应生成 Ca2SiO4和MgO。将橄榄石（75~100 µm）与CaCO3粉末混合研磨后，在1200 °C 下煅烧4小时后，尽管生成了目标产物，但转化率不到50%，仍残留大量橄榄石和CaO，完全反应则需要更高温度。通过加入Na2SO4（5 wt%）作为助熔剂，可以实现在1200 °C下1小时内反应完全，粉末X射线衍射光谱仅检测到目标产物。此外，CaSO4也可作为CaO的来源，在助熔剂存在下，可以完全转化。

材料合成与表征。图片来源：Nature

随后，研究者将反应规模扩大至2公斤级，使用2.1:1的CaCO3:橄榄石作为前驱体，在1300 °C下反应6小时，且不添加助熔剂。前驱体可完全转化为Ca2SiO4和MgO，以及副产物Ca2Fe2O5。

材料的大规模合成。图片来源：Nature

合成材料（Ca2SiO4–MgO–Ca2Fe2O5）暴露在空气中，根据热重分析及粉末X射线衍射光谱，50天后几乎100%的Ca2SiO4被碳酸化，MgO的碳酸化程度达到25%。这显示了两种材料之间的碱性差异，Ca2SiO4悬浊液的pH值为11.3，而MgO悬浊液的pH值为10.3。尽管Ca2SiO4在25天内碳酸化程度为72%，但对比其他硅酸盐，Ca3Mg(SiO4)2、CaMgSiO4和Ca2MgSi2O7的碳酸化程度仅为33%、21%和3%。

空气中的碳酸化程度。图片来源：Nature

对于CO2的直接捕集与封存过程，能源分析至关重要。据估算，生产每吨材料（由Ca2SiO4和2MgO组成）所需能量为851 kWh，理论上除去每吨CO2的能量需求为1.2 MWh。若假设实际热效率仅为75%，但能回收40%的显热，并考虑到产物的不同形式，估算除去每吨CO2的能量需求为1.3 MWh（以CaCO3/MgCO3为最终产物）或0.65 MWh（以Ca(HCO3)2/Mg(HCO3)2为最终产物）。

相比之下，基于CaO/CaCO3的循环技术，仅煅烧过程就需要1.5 MWh的热量，才能捕集1吨CO2，且这是在假设热效率为100%的条件下计算的。若前驱体改为混合Ca/Mg硅酸盐化合物（如CaMgSiO4、Ca2MgSi2O7或Ca3MgSi2O8），能源消耗和原料投入还可进一步降低。

工艺概念与能源分析。图片来源：Nature

“地球上有丰富的矿物资源，这些矿物能够从大气中除去CO2，但它们的反应速度远不足以抵消人类活动排放的CO2气体”，通讯作者Matthew Kanan教授表示，“我们提出了一种新的化学反应，通过简单的离子交换激活惰性硅酸盐矿物，所需能量不到目前直接空气捕集技术的一半，且在成本上具有竞争力”，“此外，该方法对农业也有协同效益。随着硅酸钙的风化，它会向土壤释放植物可吸收的硅，从而提高作物产量和抗逆性。而作为额外的好处，它还能除去CO2” [5]。

Thermal Ca2+/Mg2+ exchange reactions to synthesize CO2 removal materials

Yuxuan Chen & Matthew W. Kanan

Nature 2025, 638, 972-979, DOI: 10.1038/s41586-024-08499-2

参考文献：

[1] I. Walker, et al. Mineralization of alkaline waste for CCUS. npj Mater. Sustain. 2024, 2, 28. DOI: 10.1038/s44296-024-00031-x

[2] Erin R. Bobicki, et al. Carbon capture and storage using alkaline industrial wastes. Prog. Energy Combust. Sci. 2012, 38, 302-320. DOI: 10.1016/j.pecs.2011.11.002

[3] 中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2023）. 中国21世纪议程管理中心，全球碳捕集与封存研究院，清华大学. 2023.

[4] Enhanced Rock Weathering for Carbon Removal

[5] Scientists discover low-cost way to trap carbon using common rocks

导师介绍

Matthew W. Kanan

来源：X一MOL资讯