研究揭示水泥基材料吸收二氧化碳的机理

二氧化碳 (CO2) 排放是目前全球变暖的主要原因之一。水泥基材料在通过碳化过程捕获和固化 CO2矿物方面表现出良好的应用前景，为缓解气候变化带来的挑战提供了潜在的解决方案。因此，人们已经对水泥基材料的碳化进行了大量的研究，以提高碳化的效率。

简而言之，水泥浆体中的碳化涉及 CO2在水中的溶解，然后与原材料水化过程中形成的硅酸钙水合物 (C–S–H) 相互作用。在此反应过程中，溶解的 CO2形成碳酸根离子 (CO32-)，并进一步与C–S–H 中的钙离子(Ca2+) 反应生成碳酸钙沉淀物。然而，尽管对各种参数进行了广泛的研究，但由于水泥浆体化合物的不稳定性质，碳化机理的完整解释尚不清楚。

先前的研究表明，碳化作用受相对湿度 (RH)、CO2溶解度、钙/硅酸盐 (Ca/Si) 比以及 C–S–H 中水的浓度和饱和度的强烈影响。此外，了解离子和水通过 C–S–H 层中纳米级孔隙(称为凝胶孔隙水)传输的影响也很重要。

为了解答这些问题，千叶大学工学研究院副教授大久保贵宏带领其研究团队，包括千叶大学的宇野大树、东京大学的丸山一平教授和佐伯直彦、琉球大学的须田裕也副教授、广岛大学的寺本厚史、北海道大学的北垣龙马教授，对不同Ca/Si比和RH条件下碳化反应的机理进行了研究。

他们的研究于 2024 年 7 月 8 日发表在《物理化学 C 杂志》上。

“水传输和碳化相关结构变化的作用仍是一个悬而未决的问题。在这项研究中，我们使用了一种新方法来研究这些因素，即使用29Si核磁共振(NMR) 和1 H NMR 弛豫法，这已被证实是研究 C–S–H 中水传输的理想工具，”副教授 Ohkubo 说道。

为了研究碳化过程，研究人员合成了C–S–H，并使用远高于大气水平的100%CO2对其进行加速碳化。