史丹佛大学的研究团队开发了一种创新且低能耗的方法，透过加热矿物来快速捕捉大气中的二氧化碳。这项技术增强了自然风化过程，能够以前所未有的速度吸收碳，并可与农业和工业相结合，不仅有助于去除碳排放，还能改善农作物生长及土壤健康。
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突破性的碳捕捉技术：低成本、高效能
史丹佛大学人文与科学学院化学教授马修·卡南（Matthew Kanan）领导的研究团队，开发了一种能永久性去除大气中二氧化碳的经济可行方法，研究成果已发表于《自然》（Nature）期刊。他们的技术透过热处理普通矿物，使其转变为高反应性的材料，能自然吸收并储存二氧化碳。
卡南教授指出：「地球拥有丰富的矿物可以去除大气中的二氧化碳，但它们的自然反应速度太慢，无法抵消人类的温室气体排放。我们的研究提供了一种独特且可扩展的解决方案。」
加速风化过程，实现快速碳固定在自然界中，矽酸盐矿物会与水和二氧化碳发生风化作用，形成稳定的碳酸盐和碳酸氢根离子，但这一过程可能需要数百甚至数千年。自 1990 年代以来，科学家一直在寻找加速风化的技术，以提高岩石对二氧化碳的吸收速率。
史丹佛大学的博士后研究员陈宇轩（Yuxuan Chen）与卡南教授共同开发了一种新工艺，能将缓慢风化的矽酸盐转化为更具反应性的矿物，以快速捕获和储存大气中的碳。这项技术的开发也获得史丹佛大学永续发展加速器的支持。
「我们设想了一种新的化学方法，透过简单的离子交换反应来活化惰性矽酸盐矿物，结果显示其效果比我们预期的还要好。」陈博士表示。
灵感来自水泥制造，碳捕捉更高效
这项技术的灵感来自于传统水泥生产。水泥制造的第一步是将石灰石加热至约 1,400°C，使其转变为氧化钙。史丹佛的研究团队采用类似的方法，但不是与沙子混合，而是将氧化钙与含镁和矽酸盐的矿物结合，经过高温处理后，形成能与空气酸性二氧化碳快速反应的氧化镁和矽酸钙。
这些矿物与二氧化碳接触后，会快速反应并转变为稳定的碳酸盐矿物。在室温条件下，这些材料仅需两小时即可完全碳化，而在更接近现实环境的测试中，暴露于空气中的湿润样品可在数周至数月内完成碳化，速度比自然风化快数千倍。
应用于农业与工业，兼具环保与经济效益
这种技术的潜在应用范围广泛，不仅能够在大面积土地上捕捉二氧化碳，还可应用于农业，提高土壤品质。 「农民通常使用碳酸钙来调节土壤 pH 值，而我们的材料不仅能替代石灰，还能释放可被作物吸收的矽元素，提升产量与抵抗力。」卡南教授解释道。
此外，这项技术还可与现有的水泥生产设备整合，利用工业窑炉大量生产反应性矿物，进一步降低成本并提高实用性。
扩大规模：从实验室到全球影响
目前，史丹佛团队的实验室每周可生产约 15 公斤材料，但要达到全球影响规模，每年需要生产数百万吨氧化镁与矽酸钙。研究团队计划利用采矿业产生的尾矿作为原料，例如橄榄石和蛇纹石，这些矿物储量丰富，并且每年全球产生超过 4 亿吨适用的矿山尾矿，为大规模应用提供了潜在来源，估算地球有超过十兆吨橄榄石和蛇纹石储量，足够永久性清除比人类排放的二氧化碳还多更多。
研究人员估算，考虑燃烧天然气或生物燃料供能窑炉所产生的碳排放后，每吨反应性材料仍可去除约 1 吨二氧化碳。而 2024 年全球化石燃料排放预计超过 370 亿吨，这项技术若能大规模应用，将对减缓气候变迁带来重大影响。
迈向无碳未来：发展电炉技术
为了进一步减少碳足迹，卡南教授与史丹佛电机工程学院副教授乔纳森·范（Jonathan Fan）合作，开发利用电能而非燃烧化石燃料的窑炉。 「目前人们已经知道如何每年生产数十亿吨水泥，而且水泥窑可以运作几十年。” “如果我们利用这些知识和设计，那么从实验室发现到大规模碳去除就会有一条清晰的路径。」卡南教授表示。
若能成功推动工业化应用，将成为对抗气候变迁的重要突破，帮助人类迈向更永续的未来。
文献参考
- 史丹佛大学发现将普通岩石转为碳捕捉利器的低成本方案
- Stanford Scientists Just Found a Faster, Cheaper Way to Store Carbon Permanently
- Reference: “Thermal Ca2+/Mg2+ exchange reactions to synthesize CO2 removal materials” by Yuxuan Chen, and Matthew W. Kanan, 19 February 2025, Nature.DOI: 10.1038/s41586-024-08499-2
（首图来源：Bill Rivard / Precourt Institute for Energy）
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