新科技讓普通岩石快速捕捉二氧化碳，成本低廉

史丹佛大學的化學家們開發出一種實用且低成本的技術，能夠永久性地移除大氣中的二氧化碳，這是全球暖化和氣候變化的主要推手。這項新技術利用熱能將常見的礦物轉化為能夠自發性地從大氣中捕捉並永久封存二氧化碳的材料。這些反應性材料可以在傳統的窯爐中生產，例如那些用於製造水泥的窯爐。

「地球擁有取之不盡的礦物，這些礦物能夠從大氣中移除二氧化碳，但它們自身的反應速度不足以抵消人類排放的溫室氣體，」史丹佛大學人文與科學學院的化學教授Matthew Kanan表示，他也是這篇發表在《自然》期刊上的研究的資深作者。「我們的工作以一種我們認為具有獨特可擴充套件性的方式解決了這個問題。」

在自然界中，常見的矽酸鹽礦物會與水和二氧化碳反應，形成穩定的碳酸氫根離子和固體碳酸鹽礦物——這一過程被稱為風化作用。然而，這種反應可能需要數百年甚至數千年才能完成。自1990年代以來，科學家們一直在尋找透過增強風化技術讓岩石更快吸收二氧化碳的方法。

Kanan和史丹佛博士後研究員Yuxuan Chen在實驗室中開發並展示了一種新技術，能夠將緩慢風化的矽酸鹽轉化為更具反應性的礦物，從而快速捕捉並封存大氣中的二氧化碳。

「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啟用惰性矽酸鹽礦物，」Chen表示，他是這項研究的主要作者，並在Kanan的實驗室中獲得了化學博士學位。「我們沒想到它的效果會這麼好。」

許多專家表示，要防止進一步的全球暖化，不僅需要大幅減少化石燃料的使用，還需要永久性地從大氣中移除數十億噸的二氧化碳。然而，目前的碳移除技術仍然成本高昂、能源密集，或者兩者兼具，並且在大規模應用上尚未得到驗證。最近備受關注甚至獲得早期投資的技術之一是直接空氣捕捉，這種技術使用大型風扇將環境空氣透過化學或其他過程來移除二氧化碳。

「我們的技術所需的能源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說，他也是史丹佛Doerr永續發展學院Precourt能源研究所的高階研究員。

這項新技術的靈感來自於一個已有數百年歷史的水泥製造技術。水泥生產的第一步是將石灰石在約1400攝氏度的窯爐中轉化為氧化鈣，然後將氧化鈣與沙子混合，生產出水泥的關鍵成分。

史丹佛團隊在實驗室爐中使用了一個類似的過程，但他們沒有使用沙子，而是將氧化鈣與另一種含有鎂和矽酸根離子的礦物結合。加熱後，這兩種礦物交換了離子，轉化為氧化鎂和矽酸鈣——這兩種鹼性礦物能夠快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，和一種幾乎惰性的鎂矽酸鹽，然後生成兩種反應性礦物。」

作為一個快速反應測試，矽酸鈣和氧化鎂在室溫下暴露於水和純二氧化碳中。在兩個小時內，這兩種材料完全轉化為新的碳酸鹽礦物，二氧化碳中的碳被永久封存。

在一個更現實的測試中，矽酸鈣和氧化鎂的濕樣品直接暴露於空氣中，空氣中的二氧化碳濃度遠低於純二氧化碳。在這個實驗中，碳酸化過程需要數週到數月才能完成，但仍然比自然風化快數千倍。

史丹佛團隊表示，他們的技術可以在實驗室外用於工業規模的二氧化碳捕捉。「你可以想像將氧化鎂和矽酸鈣散佈在大片土地上，以從環境空氣中移除二氧化碳，」Kanan說。「我們正在測試的一個令人興奮的應用是將它們新增到農業土壤中。隨著它們的風化，這些礦物會轉化為碳酸氫鹽，並透過土壤最終永久儲存在海洋中。」

Kanan表示，這種方法對農民也有額外的好處，因為他們通常會新增碳酸鈣來提高土壤的pH值，這一過程被稱為石灰化。「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，」他解釋道。「此外，隨著矽酸鈣的風化，它會釋放出植物可以吸收的矽，這可以提高作物產量和抗逆性。理想情況下，農民會為這些礦物付費，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，還能移除二氧化碳。」

Kanan的實驗室每週可以生產約15公斤的材料。但要捕捉足夠影響全球溫度的二氧化碳，每年需要生產數百萬噸的氧化鎂和矽酸鈣。研究人員表示，用於製造水泥的窯爐設計可以使用豐富的鎂矽酸鹽（如橄欖石或蛇紋石）來生產所需的材料，這些礦物在加州、巴爾幹半島和許多其他地區都有發現。它們也是常見的礦山尾礦。

「每年全球產生超過4億噸含有合適矽酸鹽的礦山尾礦，這可能成為一個巨大的原材料來源，」Chen說。「據估計，地球上有超過100,000吉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。」（1吉噸等於10億公噸，約合11億噸。）

在考慮到燃燒天然氣或生物燃料為窯爐供電所產生的排放後，研究人員估計每噸反應性材料可以從大氣中移除一噸二氧化碳。科學家估計，2024年全球化石燃料產生的二氧化碳排放量超過了370億噸。

Kanan還與工程學院電機工程副教授Jonathan Fan合作，開發使用電力而非燃燒化石燃料的窯爐。「社會已經掌握了每年生產數十億噸水泥的技術，而且水泥窯爐可以執行數十年，」Kanan說。「如果我們利用這些經驗和設計，從實驗室發現到實現大規模碳移除的路徑將非常清晰。」