顛覆碳捕獲：科學家揭示全新二氧化碳反應途徑

香港科技大學（科大）的研究人員發現了二氧化碳（CO₂）在超臨界水中的反應方式，並確認焦碳酸根離子為關鍵中間體。此研究凸顯了奈米限域在化學過程中的作用，也為碳封存技術提供了新方向。

由香港科技大學物理及化學系潘丁副教授率領的研究團隊，與數學系姚元教授合作，揭示了二氧化碳在超臨界水中的反應機制的重要見解。

這些發現對於提升我們對天然及人工系統中二氧化碳礦化和封存過程，以及地球內部深層碳迴圈的理解至關重要。此研究為未來開發創新的碳封存技術奠定了基礎。該研究成果發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）。

二氧化碳在水中的溶解及其後續的水解反應，是有效碳捕獲和礦化儲存的關鍵過程，在碳封存以減緩全球暖化方面扮演著重要角色。潘教授的團隊開發並應用了第一性原理馬可夫模型，以揭示二氧化碳在體相和奈米限域環境中與超臨界水的反應機制。

他們發現，焦碳酸根（C₂O₅²⁻）在奈米限域環境中是一種穩定且重要的反應中間體。此前它一直被忽視，因為焦碳酸根在水溶液中極不穩定，會迅速分解。焦碳酸根的意外出現，與受限溶液的超離子行為有關。

此外，他們還發現碳酸化反應涉及沿瞬態水鏈的集體質子轉移，在體相溶液中呈協同行為，但在奈米限域下則逐步進行。這項研究證明瞭第一性原理馬可夫模型在闡明水溶液中複雜反應動力學方面的巨大潛力。

物理系研究助理教授李柱表示：「我們的創新方法使我們發現了涉及焦碳酸根離子的二氧化碳溶解新途徑。我們高效的計算方法不依賴先驗知識，能自動識別反應途徑，無人為偏差，並基於物理第一性原理揭示未知的反應機制。」

潘丁教授補充道：「我們的方法採用無監督學習技術，揭示了極端條件下水溶液反應中大型含氧碳化合物的重要性，同時也證明瞭奈米限域可成為調控化學過程的有效策略。這些發現預期將為未來的碳封存技術提供新方向。」

參考文獻：由李柱、姚元及潘丁撰寫的《揭示超臨界水溶液中二氧化碳隱藏的反應動力學》，2024年12月30日發表於《美國國家科學院院刊》。DOI：10.1073/pnas.2406356121

該研究由香港研究資助局、裘槎基金會及中國國家自然科學基金優秀青年科學基金資助。部分計算工作在廣州國家超級計算中心的天河二號超級計算機上完成。