負碳建材新突破：以海水與 CO₂ 製造永續混凝土原料
前言
建築產業的淨零策略是各國在討論淨零目標時無法迴避的一部分，除了各種節能應用之外，如何利用更低碳的建材也是持續在革新的方向。
近期的一項新技術報導相當有前景。利用再生能源製氫的副產物，碳酸鈣與氫氧化鎂來作為碳封存的載體。氫能是目前許多國家在推動的新能源方向，如果在這段生產過程中能夠有更多的附加效益，自然能更有效地刺激轉型動機。碳酸鈣與氫氧化鎂本身就具備了許多再利用空間，只是作為各種工業製程副產物，最常遇到的問題是純度不高以及再提煉過程不合成本。如果能夠在生產過程中就直接調整好運作參數，直接產出符合再利用需求的副產品，那後續應用條件自然更容易水到渠成。而這些副產品，正是當前許多負碳建材的可能來源。
利用海水與 CO2 製成的新型負碳建材
研究人員研發出一種新型環保建材，透過海水、電力與二氧化碳（ CO2 ）製造，不僅能減少碳排，還能應用於建築領域。
這種材料是在改良版的海水分解技術中形成的礦物沉澱物，能吸收並鎖住相當於自身重量一半的 CO2 ，可作為混凝土製造時的砂替代品，或應用於灰泥與塗料。
該研究發表於 Advanced Sustainable Systems 期刊，研究團隊發現，透過調整沉澱過程中的電壓、電流與 CO2 注入速率，可以精確控制這種礦物的特性，使其適用於不同用途。
海水電解副產物的全新價值
海水分解是綠氫生產的重要技術，透過再生電力驅動的陰極與陽極，將海水電解，分解後在陰極產生氫氣，在陽極則釋放氧氣或氯氣。
在這一過程中，碳酸鈣（ CaCO3 ）與氫氧化鎂（ Mg(OH)2 ）等礦物會逐漸在陰極表面沉積，特別是在水中溶解的 CO2 含量較高時更為明顯。過去，綠氫生產者普遍認為這些沉積物會增加電阻、提高能耗，因此被視為不受歡迎的副產物。然而，最新研究顯示，這些礦物可能具備開發潛力，能夠用於碳封存。
「過去，這類礦物沉澱物因會提升電阻、增加能耗，而被視為綠氫生產中的負擔，」本研究的主要作者 Dr. Alessandro F. Rotta Loria 在接受 Technology Networks 訪問時表示。
「我們的研究開發出一種可控技術，能夠調整這些礦物的合成方式，使它們在陰極表面沉積，或直接在溶液中形成，」他解釋道。「透過這項技術，我們能夠依據不同的工程應用需求，精確調整礦物沉澱的特性，賦予這些副產物新的價值。」
用海洋礦物鎖住 CO2
研究人員開發出一種透過海水礦物封存碳的方法，他們將電極插入充滿海水的大型反應器中，並在電解過程中通入 CO2 氣體，加速礦物的生成。這一過程與軟體動物形成貝殼的方式類似，差別在於貝類依靠新陳代謝的能量來轉化溶解離子，而研究人員則透過電能與額外注入的 CO2 來提高礦物化效率。
多餘的 CO2 在與海水中的離子結合後會被有效「鎖住」——形成的碳酸鈣（ CaCO3 ）直接充當碳匯，而氫氧化鎂（ Mg(OH)2 ）則能進一步吸收部分 CO2 ，提升碳封存效果。
研究團隊發現，調整實驗條件可精確控制礦物的特性，例如改變電壓、電流強度、 CO2 注入流速與時間，或調整海水的循環方式，都會影響最終產出的礦物成分。透過這些調控，礦物可呈現片狀、多孔結構，或變得更緻密堅硬，以適應不同應用需求。
「礦物沉澱的過程受多種因素影響，包括局部 pH 值、離子濃度與種類、溫度等，這使得控制條件變得相當複雜，」 Rotta Loria 解釋道。「透過研究，我們找到了一種方法，能夠同時調控這些變數，以精確控制礦物沉澱的特性，同時改善能量消耗，確保過程運行效率。」
根據不同的條件與礦物比例，最終產生的材料可封存相當於自身重量一半的 CO2 ，為碳封存技術帶來新的應用可能。
以負碳材料推動永續建築革命
研究人員指出，這種新材料不僅能作為碳匯，還能直接應用於建築材料中，而不影響其強度。
「這些礦物沉澱物可用於製造各類水泥，例如鎂基水泥，以及灰泥和塗料，」 Rotta Loria 表示。「此外，它們還能作為大規模骨料，應用於混凝土生產。」
如何在滿足全球水泥需求的同時降低碳排放，一直是水泥業邁向「 2050 年淨零排放」（ Net Zero by 2050 ）的最大挑戰。根據國際能源署（ International Energy Agency ），要達成這一目標，水泥產業的碳排放量需每年下降 4%，但當前排放量仍然居高不下。因此，若能在水泥與混凝土製造過程中加入負碳材料，將有助於降低該產業的碳足跡。
然而，這類材料的生產方式必須具備高度可擴展性，才能真正對產業帶來變革。 Rotta Loria 認為，這項新技術已經達到這一標準。
「我們開發的製程採用高度模組化的元件，能夠整合至可擴充的反應器，進行大規模量產，並具備即時監測與品質控制機制。因此，這項技術在擴展應用上具有極大潛力。目前，我們的研究團隊正積極朝此方向推進，」 Rotta Loria 表示。
「從科學角度來看，我們仍有許多關於礦化過程的問題需要進一步探討，而這將有助於提升對沉澱機制的精準控制。在工程應用方面，則需要克服多個技術關卡，才能將這項技術真正推向市場，」 Rotta Loria 補充道。「不過，我們已累積足夠的研究基礎，能夠有效應對這些挑戰。」
Reference: Devi N, Gong X, Shoji D, et al. Electrodeposition of carbon‐trapping minerals in seawater for variable electrochemical potentials and carbon dioxide injections. Adv Sustain Syst. 2025:2400943. doi: 10.1002/adsu.202400943
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