斯坦福科学家重大突破：找到快速又廉价的永久碳存储法！

近日，斯坦福大学的科研团队传来好消息，他们成功研发出一种强大且低能耗的方法，能够捕获大气中的二氧化碳，并实现永久存储。这一成果有望为应对全球变暖提供新的有力武器。

在自然界中，有一种叫硅酸盐的常见矿物质，它能和水、大气里的二氧化碳发生反应，形成稳定的碳酸氢根离子和固体碳酸盐矿物质，这个过程被称为风化。不过，这个反应进行得非常缓慢，通常需要几百到上千年才能完成。从20世纪90年代起，科学家们就一直在想办法，看看能不能通过一些技术让岩石更快地吸收二氧化碳。

这次，斯坦福大学人文与科学学院的化学教授马修·卡南（Matthew Kanan）和博士后学者陈宇轩（音译）在实验室里取得了重大进展。他们开发出了一种新方法，能把那些风化缓慢的硅酸盐变成反应活性很强的矿物质，让它们可以快速捕获并存储大气中的二氧化碳。

这个新方法的灵感来自于有着几百年历史的水泥制作技术。制作水泥时，要先把石灰石在1400摄氏度左右的高温窑里加热，变成氧化钙，然后再和沙子混合。而斯坦福团队在实验室里用类似的方法，不过他们没加沙子，而是把氧化钙和另一种含有镁离子和硅酸根离子的矿物质混合。加热之后，这两种矿物质发生离子交换，变成了氧化镁和硅酸钙。这两种都是碱性矿物质，能和空气中呈酸性的二氧化碳快速反应。

为了测试这些矿物质的反应活性，研究人员做了两个实验。在第一个实验中，他们把硅酸钙和氧化镁暴露在水和纯二氧化碳中，结果发现，短短两小时，这两种材料就完全变成了新的碳酸盐矿物质，二氧化碳里的碳也被牢牢锁在了里面。在第二个更接近实际情况的实验里，他们把潮湿的硅酸钙和氧化镁直接暴露在空气中，虽然空气中二氧化碳的浓度比实验用的纯二氧化碳低很多，但碳酸化过程也只花了几周到几个月的时间，这可比自然风化快了上千倍。

卡南教授表示，这个方法不仅能在实验室里用，还可以扩大到工业规模来捕获二氧化碳。比如说，把氧化镁和硅酸钙撒在大片土地上，就能去除空气中的二氧化碳。研究人员现在正在测试一个很有前景的应用方向，就是把这些矿物质添加到农业土壤里。这些矿物质在风化的过程中会变成碳酸氢盐，能在土壤里移动，最终被存储到海洋里，实现永久碳存储。而且，这对农民来说还有不少好处。一般来说，如果土壤的pH值太低，农民会加碳酸钙来提高pH值，这个过程叫“石灰处理”。而添加这些矿物质就不用再进行石灰处理了，因为它们本身就是碱性的。另外，硅酸钙风化的时候还会向土壤中释放植物可以吸收的硅元素，这能提高农作物的产量，增强它们的抗逆性。从理想情况来看，农民会愿意购买这些矿物质，因为它们对农业生产和土壤健康都有好处，还能顺便去除二氧化碳。

目前，卡南的实验室每周能生产大约15公斤这种材料。但要想真正对全球气温产生影响，每年需要生产数百万吨的氧化镁和硅酸钙。研究人员表示，用来制作水泥的窑炉经过改造后，就可以利用橄榄石、蛇纹石等富含镁硅酸盐的矿物质来生产这些材料。这些矿物质在加利福尼亚、巴尔干半岛等很多地方都有，而且它们还是采矿后常见的尾矿。据陈宇轩介绍，每年全球会产生4亿多吨含有合适硅酸盐的尾矿，这是一个巨大的潜在原材料来源。地球上橄榄石和蛇纹石的储量估计超过10万亿吨，足够永久去除人类排放的所有二氧化碳。研究人员还估计，考虑到为窑炉提供动力而燃烧天然气或生物燃料产生的排放后，每吨活性材料仍可以从大气中去除一吨二氧化碳。2024年，全球因燃烧化石燃料产生的二氧化碳排放量超过了370亿吨。

此外，卡南还和工程学院的电气工程副教授乔纳森·范（Jonathan Fan）合作，研发用电力驱动的窑炉，这样就不用燃烧化石燃料了。卡南认为，既然社会每年都能生产几十亿吨水泥，而且水泥窑炉能用几十年，那么借鉴这些经验和设计，就有办法把实验室的发现转化为大规模的碳去除行动。

这项研究成果已于2025年2月19日发表在《自然》杂志上，论文题目是《热Ca²⁺/Mg²⁺交换反应合成二氧化碳去除材料》。相信随着研究的进一步推进，这一成果将在应对全球气候变化方面发挥重要作用。

参考资料：DOI： 10.1038/s41586-024-08499-2