革命性碳捕捉技術：利用常見岩石與水泥製程改變氣候危機

一項突破性的研究顯示，透過加熱常見礦物，可以將其轉化為能夠自發性吸收大氣中二氧化碳並永久封存的材料。更令人驚豔的是，這些反應性材料可以在普通的水泥窯中生產，這意味著現有基礎設施即可應用此技術。

目前，科學家們正探索多種方法來移除大氣中的二氧化碳，其中許多技術聚焦於改進和擴充套件直接空氣捕捉系統。這些系統通常使用大型風扇將環境空氣透過化學物質或其他過程來移除二氧化碳。然而，這些技術雖然不斷進步，但仍面臨高能耗的限制。因此，研究人員開始轉向地球豐富的矽酸鹽礦物作為替代方案。

「地球擁有取之不盡的礦物資源，這些礦物能夠移除大氣中的二氧化碳，但它們的自然反應速度太慢，無法抵消人類排放的溫室氣體，」史丹佛大學人文與科學學院化學教授Matthew Kanan表示。「我們的研究以一種我們認為獨特且可擴充套件的方式解決了這個問題。」

矽酸鹽是構成地殼和地函的常見造巖礦物群。當它們與水和二氧化碳反應時，會透過風化過程形成穩定的碳酸氫根離子和固體碳酸鹽礦物。在自然界中，這一過程可能需要數百年到數千年，但Kanan和該研究的主要作者、史丹佛大學博士後研究員Yuxuan Chen找到了一種加速反應的方法，開發出一種新工藝，將緩慢風化的矽酸鹽轉化為更具反應性的礦物，從而更快地捕捉和儲存大氣中的碳。

「我們設想了一種新的化學方法，透過簡單的離子交換反應來活化惰性矽酸鹽礦物，」Chen補充道。「我們沒想到它的效果會如此出色。」

在應對全球暖化的努力中，研究人員強調，我們不僅需要大幅減少對化石燃料的依賴，還需要永久性地從大氣中移除數十億噸的碳。這項新技術可能為實現這一目標做出貢獻。

「我們的工藝所需的能量不到領先的直接空氣捕捉技術的一半，而且我們認為從成本角度來看，我們非常有競爭力，」Kanan解釋道。

這項新方法受到水泥製造工藝的啟發。水泥製造始於在窯中加熱石灰石，將其轉化為氧化鈣，然後與沙子混合成為水泥的關鍵成分。在實驗室研究中，Kanan和Chen採用了類似的工藝，但用另一種含有鎂和矽酸根離子的礦物取代了沙子。加熱後，這些礦物進行離子交換，生成氧化鎂和矽酸鈣，這兩種鹼性礦物能迅速與空氣中的酸性二氧化碳反應。

「這個過程就像一個倍增器，」Kanan解釋道。「你取一種反應性礦物——氧化鈣，和一種或多或少是惰性的鎂矽酸鹽，然後生成兩種反應性礦物。」

在實驗室測試中，當矽酸鈣和氧化鎂暴露於水和純二氧化碳時，這兩種材料在短短兩小時內就轉化為含有碳的碳酸鹽礦物。當然，實驗室條件與戶外環境不同。在更現實的測試中，研究團隊將濕潤的礦物樣品直接暴露於空氣中，空氣中的二氧化碳濃度要低得多。在這些條件下，這一過程需要數週到數月才能完成，但這仍然比自然風化過程快數千倍。

這項技術也可能對農民有益，他們通常使用「石灰化」過程，透過新增碳酸鈣來提高土壤pH值。「新增我們的產品將消除石灰化的需求，因為這兩種礦物成分都是鹼性的，」Kanan解釋道。「此外，隨著矽酸鈣風化，它會以植物可吸收的形式釋放矽到土壤中，這可以提高作物產量和抗逆性。理想情況下，農民會購買這些礦物，因為它們對農場生產力和土壤健康有益——而且作為額外的好處，還能移除碳。」

目前，Kanan的實驗室每週可以生產約15公斤的材料。然而，要對全球氣溫上升產生影響，這一產量需要擴大到每年數百萬噸。但研究團隊相信，現有的水泥窯也可以透過使用採礦剩餘的矽酸鹽礦物來生產這種混合物。

「每年，全球產生超過4億噸含有合適矽酸鹽的礦渣，這提供了潛在的大量原材料來源，」Chen說。「據估計，地球上有超過100,000千兆噸的橄欖石和蛇紋石儲量，足以永久移除比人類有史以來排放的二氧化碳多得多的碳。」

Kanan目前正在尋找開發不依賴化石燃料的窯爐的方法，以至少在這項努力中提供幫助。「社會已經掌握了每年生產數十億噸水泥的方法，而且水泥窯可以執行數十年，」Kanan說。「如果我們利用這些經驗和設計，就有一條明確的路徑可以從實驗室發現過渡到有意義規模的碳移除。」

這項研究發表在《自然》期刊上。