史丹佛新技術：高效碳捕捉，助農業與環境雙贏

史丹佛大學的研究團隊近期開發出一種創新且低耗能的方法，利用加熱礦物來捕捉大氣中的二氧化碳（CO₂）。這項技術透過強化自然風化過程，創造出能快速吸收碳的反應性材料，不僅具備大規模應用的潛力，還能與農業和工業結合，在去除碳的同時改善作物生長與土壤健康。

研究團隊由史丹佛大學化學系教授Matthew Kanan領導，他提到：「地球上有取之不盡的礦物能夠去除大氣中的CO₂，但這些礦物的自然反應速度太慢，無法有效對抗人類排放的溫室氣體。我們的研究解決了這個問題，並提供了一種獨特且可擴充套件的解決方案。」這項研究成果已發表於《自然》期刊。

在自然界中，常見的矽酸鹽礦物會與水和CO₂反應，形成穩定的碳酸氫鹽離子和固體碳酸鹽礦物，這個過程稱為風化作用。然而，自然風化通常需要數百年甚至數千年才能完成。自1990年代以來，科學家一直在尋找加速岩石吸收CO₂的方法。

Kanan與博士後研究員Yuxuan Chen在實驗室中開發並驗證了一種新技術，能將緩慢風化的矽酸鹽轉化為更具反應性的礦物，從而快速捕捉並儲存大氣中的碳。這項研究目前獲得史丹佛Doerr永續學院永續加速器的資助，正朝向實際應用邁進。

Chen表示：「我們設計了一種新的化學反應，透過簡單的離子交換來活化惰性的矽酸鹽礦物。沒想到效果比預期的還要好。」這項技術不僅能大幅降低能源消耗，還能在成本上與現有的直接空氣捕捉技術競爭。

許多專家指出，要防止全球暖化加劇，除了減少化石燃料的使用，還需要從大氣中永久去除數十億噸的CO₂。然而，現有的碳捕捉技術往往成本高昂、耗能巨大，且尚未大規模驗證。相較之下，史丹佛團隊的新方法不僅效率更高，還能與現有的工業製程結合。

這項技術的靈感來自於數百年來的水泥製造工藝。研究團隊在實驗室中使用類似水泥窯的裝置，將氧化鈣與含鎂和矽酸鹽離子的礦物結合，加熱後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CO₂反應。

Kanan解釋：「這個過程就像一個倍增效應。你將一種反應性礦物（氧化鈣）與一種相對惰性的鎂矽酸鹽結合，最終生成兩種反應性礦物。」實驗結果顯示，這些材料在室溫下暴露於水和純CO₂時，僅需兩小時就能完全轉化為新的碳酸鹽礦物。

研究團隊進一步測試了這些材料在自然環境中的表現。將濕潤的矽酸鈣和氧化鎂直接暴露於空氣中，雖然空氣中的CO₂濃度遠低於純CO₂，但碳化過程仍只需數週至數月，比自然風化快上千倍。

這項技術的應用前景廣闊。Kanan提到：「你可以想像將氧化鎂和矽酸鈣散佈在大片土地上，從環境空氣中去除CO₂。我們目前正在測試將其加入農業土壤中，這些礦物在風化過程中會轉化為碳酸氫鹽，最終永久儲存在海洋中。」

此外，這項技術還能為農民帶來額外的好處。Kanan指出：「我們的產品可以取代傳統的石灰施用，因為這兩種礦物成分都是鹼性的。同時，矽酸鈣在風化過程中會釋放出植物可吸收的矽，有助於提高作物產量和抗逆性。」

目前，Kanan的實驗室每週能生產約15公斤的材料。但要對全球氣溫產生顯著影響，每年需要生產數百萬噸的氧化鎂和矽酸鈣。研究團隊表示，現有的水泥窯設計可以利用豐富的鎂矽酸鹽礦物（如橄欖石或蛇紋石）來生產這些材料，這些礦物在加州、巴爾幹半島等地都有大量儲備。

Chen補充：「每年全球產生的礦渣中，有超過4億噸含有適合的矽酸鹽，這為我們提供了潛在的龐大原料來源。據估計，地球上的橄欖石和蛇紋石儲量超過10萬億噸，足以永久去除遠超人類排放量的CO₂。」

研究團隊還與電機工程學院的Jonathan Fan教授合作，開發以電力驅動的窯爐，進一步減少化石燃料的使用。Kanan總結：「社會已經掌握了每年生產數十億噸水泥的技術，水泥窯的運作經驗也長達數十年。如果我們借鑒這些經驗，從實驗室發現到大規模碳捕捉的實現將是一條清晰的道路。」