文 / 潘鼎教授、Nore Stolte、侯睿

 把“可乐”封在地下变矿石？

捕捉二氧化碳转化为固态碳酸盐将有助于延缓全球变暖，相关的工业应用研究已经在开展。

（图源：Carbfix）

著名的工业应用研究之一是在冰岛的Carbfix项目。他们就像制作“可乐”一样把二氧化碳与水混合，再注入地下玄武岩层，借助自然化学反应将二氧化碳转化为固态碳酸盐。碳酸盐矿物可以稳定数千年，因此可以被认为是永久储存的。

如何进一步提高二氧化碳的矿化效率，进一步开发碳储存的潜力？从含碳水溶液的研究和接触的矿物介质下手是重要的研究方向。

以前对含碳水溶液的研究多集中在体相，而在地球内部或者地下碳存储过程中，水溶液往往处于受限的状态，维度的限制和固液界面对溶液的性质有非常大的影响。

课题组通过之前的研究发现，CO₂会进行一系列的化学反应生成碳酸或者碳酸氢根离子，甚至是碳酸分子。基于此，潘鼎课题组的博士生Nore Stolte和侯睿比较了二氧化碳水溶液在石墨烯、斯石英在二维受限状态（水分子受限于两个固体界面中间）下和体态的性质，在分子尺度上对其进行探究。

“天河二号”助力碳研究 

地球超过90%的碳存在于内部，与地表附近的碳有着大规模持续的交换，该研究同时对地球内部碳的运输有重要意义。

如果碳主要以二氧化碳分子的形式存在于地质流体中，流体在矿物晶粒边界将不太容易流动；但二氧化碳与水反应变成了含碳的离子，流动性将大大增强。

“天河二号”稳定强大的高性能计算能力以及丰富的存储资源大大缩短了计算时长，让需要高精度的第一性原理计算如虎添翼。课题组通过研究发现，二维受限状态下，二氧化碳反应生成碳酸根、碳酸氢根离子甚至碳酸分子更加充分。

a图展示的是在石墨烯二维受限状态的含碳水溶液，b图展示的是在斯石英二维受限状态的含碳水溶液。红色的球代表溶液中的氧原子，粉色的球代表SiO₂中的氧原子。灰色、白色和黄色的球分别是碳原子、氢原子和硅原子。

研究表明，石墨烯与溶液之间没有化学反应，而斯石英表面容易吸附氢氧根离子，所以使溶液偏酸性，不利于二氧化碳的反应，但斯石英表面的不饱和键对二氧化碳的反应能起到一定的催化作用。

该研究对碳储存有重要启示，如果选择合适的矿物如镁橄榄石等去限制二氧化碳和水，将大大提高碳的矿化效率，助力加快碳储存部署。

目前，潘鼎课题组正持续通过“天河二号”开展科学研究。课题组长期专注于开发和应用高性能的第一性原理和机器学习算法，研究水科学、碳循环和清洁能源等与可持续发展相关的基础物理和化学问题。

*上述研究获得香港研资局、裘槎基金会、中国国家自然科学基金港澳地区优青项目和美国斯隆基金会深部碳循环项目的支持。

* 本文为香港科技大学霍英东研究院公众号发布的文章，原标题为““可乐”拯救全球变暖？“天河二号”助力研究纳米受限条件下的含碳水溶液”。

潘鼎教授简介

潘鼎教授，香港科技大学物理系和化学系双聘副教授，中科院物理所博士，曾在美国加州大学戴维斯分校和芝加哥大学从事博士后研究工作。

潘教授的研究领域为计算材料学、物理化学和化学物理，主要研究对象是水科学、深部碳循环和清洁能源等。他的团队致力于开发和应用高性能的第一性原理和机器学习算法，关注和寻找解决可持续发展相关的重要科学问题。先后在Nature(1), Nature Mater. (1), Sci. Adv. (1), Nat. Commun. (6), PNAS (4), JACS (1), PRL (1) 等期刊发表SCI论文数篇。潘教授自加入香港科大以来先后荣获裘槎前瞻科研大奖、深部碳循环新兴领袖奖、国家自然科学基金优秀青年基金（港澳）和港科大理学院研究奖。

由香港科技大学主理出品的【教授专栏】，汇集来自不同领域教授的学术成果、前沿论断及知识科普，用最新鲜的视角解读社会动态，以最前沿的角度解释科技奥秘。期待通过香港科技大学的平台，聚合更多新锐观点，打造出一期又一期生动又深刻的【教授专栏】！

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