表面化学介导的孔隙水波动促进二氧化碳在硅酸钙水合物中的高效锚定

为解决CO2矿化技术中反应机制不明的问题，研究人员通过巨正则蒙特卡洛模拟揭示了硅酸钙水合物(C-S-H)介孔内CO2封存的最佳条件。研究发现低湿度(RH)下CO2-表面相互作用主导，高RH下CO2-水相互作用增强，毛细凝聚时的亚稳态孔隙水显著提升CO2溶解。该研究为开发高效CO2矿化策略提供了理论基础。

　　

全球变暖背景下，碳捕集与封存技术成为缓解气候危机的关键路径。其中，利用碱性固体废弃物进行CO₂矿化因其永久封存特性和经济可行性备受关注。然而，矿物介孔内复杂的固-液-气相互作用机制长期制约着该技术的规模化应用。香港理工大学陶勇课题组联合法国艾克斯-马赛大学Roland J.-M. Pellenq教授，在《Nature Communications》发表研究，通过多尺度模拟揭示了硅酸钙水合物(C-S-H)介孔内CO₂锚定的最优条件。

研究人员采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法，构建不同Ca/Si比的C-S-H狭缝孔隙模型，系统研究了相对湿度(RH)对CO₂吸附的影响规律。关键技术包括：1)基于11?雪硅钙石的C-S-H原子模型构建；2)ReaxFF反应力场模拟硅酸盐链质子化过程；3)水分子介电常数和偶极矩的定量分析；4)毛细凝聚临界点的热力学参数计算。

最优湿度下的CO₂吸附

模拟显示CO₂吸附量随RH呈非线性变化：当RH达0.46-0.54时出现峰值，对应毛细凝聚起始状态。此时亚稳态孔隙水形成大量气-液界面，使CO₂吸附量较干燥状态提升3倍。

水介导的表面相互作用

低RH条件下，高Ca/Si比(1.8)的C-S-H因表面缺陷导致水膜介电常数降低，削弱对CO₂-表面作用的屏蔽效应，其吸附热(Q_st)达70 kJ/mol，显著高于低Ca/Si比体系。

亲水性驱动的水相变

表面电荷密度决定毛细凝聚临界点：Ca/Si比1.2的C-S-H因更强的亲水性(水吸附能82 kJ/mol)在RH=0.46即发生凝聚，而Ca/Si比1.8体系需RH=0.54。

该研究首次阐明C-S-H表面化学通过调控孔隙水状态来优化CO₂封存效率的机制。发现毛细凝聚时的亚稳态水可同时增强CO₂溶解和表面锚定，为建筑废弃物碳化工艺的湿度控制提供理论依据。通过建立Ca/Si比-亲水性-最优RH的定量关系，为设计高性能矿化材料开辟新途径。研究提出的"介孔限域水工程"策略，对发展碳中和建筑材料具有重要指导价值。