近日，斯坦福大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)傳來好消息，他們成功研發(fā)出一種強(qiáng)大且低能耗的方法，能夠捕獲大氣中的二氧化碳，并實(shí)現(xiàn)永久存儲(chǔ)。這一成果有望為應(yīng)對全球變暖提供新的有力武器。

在自然界中，有一種叫硅酸鹽的常見礦物質(zhì)，它能和水、大氣里的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的碳酸氫根離子和固體碳酸鹽礦物質(zhì)，這個(gè)過程被稱為風(fēng)化。不過，這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行得非常緩慢，通常需要幾百到上千年才能完成。從20世紀(jì)90年代起，科學(xué)家們就一直在想辦法，看看能不能通過一些技術(shù)讓巖石更快地吸收二氧化碳。

這次，斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院的化學(xué)教授馬修·卡南（Matthew Kanan）和博士后學(xué)者陳宇軒（音譯）在實(shí)驗(yàn)室里取得了重大進(jìn)展。他們開發(fā)出了一種新方法，能把那些風(fēng)化緩慢的硅酸鹽變成反應(yīng)活性很強(qiáng)的礦物質(zhì)，讓它們可以快速捕獲并存儲(chǔ)大氣中的二氧化碳。

這個(gè)新方法的靈感來自于有著幾百年歷史的水泥制作技術(shù)。制作水泥時(shí)，要先把石灰石在1400攝氏度左右的高溫窯里加熱，變成氧化鈣，然后再和沙子混合。而斯坦福團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里用類似的方法，不過他們沒加沙子，而是把氧化鈣和另一種含有鎂離子和硅酸根離子的礦物質(zhì)混合。加熱之后，這兩種礦物質(zhì)發(fā)生離子交換，變成了氧化鎂和硅酸鈣。這兩種都是堿性礦物質(zhì)，能和空氣中呈酸性的二氧化碳快速反應(yīng)。

為了測試這些礦物質(zhì)的反應(yīng)活性，研究人員做了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們把硅酸鈣和氧化鎂暴露在水和純二氧化碳中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，短短兩小時(shí)，這兩種材料就完全變成了新的碳酸鹽礦物質(zhì)，二氧化碳里的碳也被牢牢鎖在了里面。在第二個(gè)更接近實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)里，他們把潮濕的硅酸鈣和氧化鎂直接暴露在空氣中，雖然空氣中二氧化碳的濃度比實(shí)驗(yàn)用的純二氧化碳低很多，但碳酸化過程也只花了幾周到幾個(gè)月的時(shí)間，這可比自然風(fēng)化快了上千倍。

卡南教授表示，這個(gè)方法不僅能在實(shí)驗(yàn)室里用，還可以擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模來捕獲二氧化碳。比如說，把氧化鎂和硅酸鈣撒在大片土地上，就能去除空氣中的二氧化碳。研究人員現(xiàn)在正在測試一個(gè)很有前景的應(yīng)用方向，就是把這些礦物質(zhì)添加到農(nóng)業(yè)土壤里。這些礦物質(zhì)在風(fēng)化的過程中會(huì)變成碳酸氫鹽，能在土壤里移動(dòng)，最終被存儲(chǔ)到海洋里，實(shí)現(xiàn)永久碳存儲(chǔ)。而且，這對農(nóng)民來說還有不少好處。一般來說，如果土壤的pH值太低，農(nóng)民會(huì)加碳酸鈣來提高pH值，這個(gè)過程叫“石灰處理”。而添加這些礦物質(zhì)就不用再進(jìn)行石灰處理了，因?yàn)樗鼈儽旧砭褪菈A性的。另外，硅酸鈣風(fēng)化的時(shí)候還會(huì)向土壤中釋放植物可以吸收的硅元素，這能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，增強(qiáng)它們的抗逆性。從理想情況來看，農(nóng)民會(huì)愿意購買這些礦物質(zhì)，因?yàn)樗鼈儗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤健康都有好處，還能順便去除二氧化碳。

目前，卡南的實(shí)驗(yàn)室每周能生產(chǎn)大約15公斤這種材料。但要想真正對全球氣溫產(chǎn)生影響，每年需要生產(chǎn)數(shù)百萬噸的氧化鎂和硅酸鈣。研究人員表示，用來制作水泥的窯爐經(jīng)過改造后，就可以利用橄欖石、蛇紋石等富含鎂硅酸鹽的礦物質(zhì)來生產(chǎn)這些材料。這些礦物質(zhì)在加利福尼亞、巴爾干半島等很多地方都有，而且它們還是采礦后常見的尾礦。據(jù)陳宇軒介紹，每年全球會(huì)產(chǎn)生4億多噸含有合適硅酸鹽的尾礦，這是一個(gè)巨大的潛在原材料來源。地球上橄欖石和蛇紋石的儲(chǔ)量估計(jì)超過10萬億噸，足夠永久去除人類排放的所有二氧化碳。研究人員還估計(jì)，考慮到為窯爐提供動(dòng)力而燃燒天然氣或生物燃料產(chǎn)生的排放后，每噸活性材料仍可以從大氣中去除一噸二氧化碳。2024年，全球因燃燒化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳排放量超過了370億噸。

此外，卡南還和工程學(xué)院的電氣工程副教授喬納森·范（Jonathan Fan）合作，研發(fā)用電力驅(qū)動(dòng)的窯爐，這樣就不用燃燒化石燃料了。卡南認(rèn)為，既然社會(huì)每年都能生產(chǎn)幾十億噸水泥，而且水泥窯爐能用幾十年，那么借鑒這些經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，就有辦法把實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的碳去除行動(dòng)。

這項(xiàng)研究成果已于2025年2月19日發(fā)表在《自然》雜志上，論文題目是《熱Ca2?/Mg2?交換反應(yīng)合成二氧化碳去除材料》。相信隨著研究的進(jìn)一步推進(jìn)，這一成果將在應(yīng)對全球氣候變化方面發(fā)揮重要作用。

參考資料：DOI： 10.1038/s41586-024-08499-2