摘要：随着气候持续变暖，世界各地的研究人员都在寻找从大气中捕获二氧化碳并将其储存在地下的方法。虽然这种方法提供了多种气候效益，但它并没有充分利用大气中二氧化碳的潜在价值。

随着气候持续变暖，世界各地的研究人员都在寻找从大气中捕获二氧化碳并将其储存在地下的方法。虽然这种方法提供了多种气候效益，但它并没有充分利用大气中二氧化碳的潜在价值。

西北大学的新方法通过永久锁定二氧化碳并将其转化为可用于制造混凝土、水泥、石膏和油漆的有用材料来解决这个问题。该工艺还产生氢气，这是一种清洁燃料，应用范围广泛。该研究于 3 月 19 日发表在《先进可持续系统》（Advanced Sustainable Systems）杂志上。

水泥、混凝土、油漆和石膏通常由钙和镁基矿物组成或衍生自钙和镁基矿物，这些矿物通常来自骨料——我们称之为沙子。目前，沙子是通过从山脉、河床、海岸和海底开采而来的。通过与 Cemex 合作，研究团队设计了一种替代的沙子来源方法，利用电力和二氧化碳在海水中生长类似沙子的材料。

贝壳启发的新技术

这项新研究建立在 Rotta Loria 实验室之前的工作之上，旨在将二氧化碳长期储存在混凝土中。研究小组试图利用电力来创新建筑和工业流程，因为它是一种天然丰富的资源。它不像淡水那样稀缺。

海水中负碳固体矿物的电化学合成。A） 参考海水的典型化学成分，对通过电沉积形成矿物的定性概述（左）和关键现象和过程组成部分的总结（右）。B） 在 WRR 状态下控制矿物沉淀的电化学反应。

为了产生负碳材料，研究人员首先将电极插入海水中并施加电流。低电流将水分子分裂成氢气和氢氧根离子。在保持电流打开的同时，研究人员通过海水吹出二氧化碳气体。这个过程改变了水的化学成分，增加了碳酸氢根离子的浓度。

最后，氢氧根离子和碳酸氢根离子与海水中天然存在的其他溶解离子（如钙和镁）发生反应。该反应产生了固体矿物，包括碳酸钙和氢氧化镁。碳酸钙直接充当碳汇，而氢氧化镁通过与 二氧化碳的进一步相互作用来封存碳。

研究团队将这个过程比作珊瑚和软体动物用来形成外壳的技术，该技术利用代谢能将溶解的离子转化为碳酸钙。但是，研究人员没有应用代谢能，而是应用电能来启动该过程，并通过注入二氧化碳促进了矿化。

双重发现

通过实验，研究人员取得了两个重大发现。他们不仅可以将这些矿物生长成沙子，而且还能够通过控制实验因素来改变这些材料的成分，包括电流的电压和电流、流速、二氧化碳注入的时间和持续时间，以及反应器中海水再循环的流速、时间和持续时间。

根据条件的不同，所得物质更片状、多孔或更致密、更硬——但总是主要由碳酸钙和/或氢氧化镁组成。研究人员可以在电极周围生长材料，也可以直接在溶液中生长。当生成这些材料时，可以完全控制它们的特性，例如化学成分、大小、形状和孔隙率，这为开发适合不同应用的材料提供了一定的灵活性。

这些材料可用于混凝土中，作为沙子和/或砾石的替代品，沙子和/或砾石是占这种无处不在的建筑材料的 60-70% 的关键成分。或者它们可以用来制造水泥、石膏和油漆，而这些都是建筑环境中必不可少的。

在结构中储存碳

根据矿物的比例，该材料可以承受其重量的一半以上的二氧化碳。例如，该材料一半由碳酸钙和一半氢氧化镁组成，1公吨的材料能够储存超过半公吨的二氧化碳。Rotta Loria 还表示，这种材料如果用于替代沙子或粉末，不会削弱混凝土或水泥的强度。

Rotta Loria 设想工业界可以将该技术应用于高度可扩展的模块化反应堆中，而不是直接应用于海洋，以避免干扰生态系统和海洋生物。这种方法将能够完全控制水源和水流出物的化学成分，只有在经过充分处理和环境验证后，这些水才会重新注入开阔的海水中。

根据世界经济论坛的数据，水泥行业占全球二氧化碳排放量的 8%，是世界第四大碳排放源。如果与混凝土生产相结合，这个数字甚至更高。Rotta Loria 预计将部分二氧化碳重新用于混凝土和水泥中，以制造更可持续的建筑和制造材料。

如果混凝土和水泥厂位于海岸线上，可以利用它们旁边的海洋为专用反应器提供水源，在那里，二氧化碳通过清洁电力转化为可用于建筑行业无数应用的材料。然后，这些材料将真正成为碳汇。

素材来源：Nishu Devi、Xiaohui Gong、Daiki Shoji、Amy Wagner、Alexandre Guerini、Davide Zampini、Jeffrey Lopez 和 Alessandro F. Rotta Loria，2025 年 3 月 18 日，“在海水中电沉积碳捕获矿物以产生可变电化学电位和二氧化碳注入”，先进可持续系统。

DOI： 10.1002/adsu.202400943

来源：友绿