CO2捕集、利用与封存（CCUS）技术是降低化石能源生态环境的关键路径。钢渣富含钙镁却因硅酸盐惰性，限制了其固碳性能。近期，水合物法捕集、氯化钾球磨及钾掺杂等技术突破这一瓶颈取得显著进展。本文精选基于MedeA软件的最新科研成果，小编带您一览高效固碳领域的前沿突破：
Chinese Journal of Engineering：氧化钾活化转化炉渣提升直接固碳性能的研究 利用钢渣捕集并封存CO2是实现固废资源化和减少工业碳排放功能耦合的有效方法之一，同时能够消除钢渣中的游离氧化钙（f-CaO），提高钢渣体积安定性。然而，钢渣结构致密且其中CaO多以惰性硅酸盐形式存在，使其直接固碳性能低。本文以转炉渣为研究对象，采用KCl球磨改性提高其化学反应活性以强化其固碳性能，结合实验分析与MedeA VASP理论计算系统性探讨了KCl球磨改性对转炉渣在直接固碳法（气-固反应）中固碳性能的影响[1]。 研究成果： 添加适量KCl进行球磨使得转炉渣颗粒表面出现Ca富集，有助于转炉渣颗粒在球磨过程中的分散，形成更多微孔和介孔，降低CO2的扩散阻力。 附着于转炉渣颗粒表面的K+在固碳过程中替换Ca离子并占据其在CaCO3晶格中的位置，降低CaCO3结构 转炉渣中主要固碳组分为硅酸盐，选取C2S作为固碳反应物，用MedeA VASP计算发现，K原子在C2S(010)表面上的吸附，使得CO2的吸附能降至-0.795 eV，证明了K的存在可提高CO2吸附稳定性，强化了C2S的CO2捕集能力，进而提升了转炉渣的固碳性能。 综上，KCl球磨改性不仅提高了转炉渣固碳性能，同时消除了转炉渣中f-CaO的存在，这为转炉渣与碱金属固废资源化利用提供了新思路。 图1 KCl球磨转炉渣固碳产物热分解TG (a)与DTG (b)曲线图 图2 (a) K在表面吸附构型；(b) 吸附在K掺杂的表面构型；(c) 吸附表面构型 Low-Carbon Chemistry and Chemical Engineering：低压下碳纳米管用于水合物法捕集烟道气中CO₂动力学研究 当前能源消费仍以化石能源为主，二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）技术可显著降低化石能源消耗对生态环境产生的直接影响。水合物法作为低能耗CO2捕集技术，具有良好的应用前景。然而水合物法捕集CO2目前还存在CO2在水合物生长速率较慢、CO2捕集效率低等问题。 本文采用MedeA VASP及动力学实验，研究了较低初始压力下，碳纳米管用于水合物法捕集烟道气中CO2的动力学机制和捕集性能[2]。 研究成果： MedeA VASP计算发现CO2易于平行方式吸附于DWCNTs（双壁碳纳米管）表面，DWCNTs对CO2的吸附有利于促进其进入液相参与水合反应。 低压下（0.1~0.5 MPa）下，DWCNTs优先吸附CO2，且CO2吸附量远大于N2；CO2吸附量在0.8 MPa达到峰值，CO2选择率也达峰值。实验证明，压力升高N₂易于CO2产生竞争吸附，导致DWCNTs的CO₂选择率降低。 综合考虑，0.01% NWCNTs（多壁碳纳米管）+4% THF（四氢呋喃）在2.50 MPa下表现出较好的捕集性能，其CO2储气量为(3.54 ± 0.28) mmol/mol，诱导时间为(24.33 ± 1.53) min，CO₂捕集效率为76.75% ± 5.49%。 图1 DWCNTs结构 图2 0.1~4.5 MPa下DWCNTs对烟道气中各组分的吸附量和选择率 Fuel：钾改性活化硅酸盐组分增强钢渣固碳性能研究 DOS和电荷密度显示，钾掺杂后，电子重排；促使[SiO₄]四面体中顶端氧更易解离。 综上，本研究证实，通过钾改性激活钢渣中的硅酸盐组分，可显著提升其固碳能力。该研究对钢铁行业利用固废协同处理CO2具有重要指导意义。 表1 掺杂前后晶格参数 图2 钾改性钢渣固碳机理 Journal of Iron and Steel Research Internal：碱金属钾活化钢渣直接固碳机理研究 K掺杂在β-C2S的Ca1位后，体系带隙降至4.332 eV，且形成能更低，体系更稳定。K掺杂后引发电荷不平衡，体系通过减低O原子电荷来补偿；DOS显示价带顶移至费米能级以上，形成空穴，空穴作为电子受体，增强了材料的氧化能力，有利于CO2的吸附。 K掺杂改变了C2S表面电子分布，电荷更加局域在Ca和O位点，增强这些位点的反应活性。 计算显示CO2更易在K-C2S(010)表面上以桥式构型吸附，吸附能最低。K掺杂降低了吉布斯自由能，使反应更易自发进行。AIMD模拟也证实CO2以桥式构型吸附，K掺杂增强了吸附稳定性。 随后XRD证实钾掺杂导致晶面间距增大，与理论计算的晶格膨胀一致；实验确定1000 K下，3 wt% K掺杂的钢渣表现出最高固碳能力，达到100.15 g/kg。本研究理论计算结合实验揭示了碱金属活化硅酸盐固碳的机制，为利用工业固废实现低成本、高效率碳减排提供了重要支撑，具有广阔的应用前景。 图1 在、不同吸附构型及S2和S3吸附构型的2D差分电荷密度 表1 在不同位点的吸附能 参考文献 [1] SUN Rong, XU Weicheng, LONG Hongming. et al. Chinese Journal of Engineering. 2025, 47(6):1218-1227 [2] WANG Fang, AN Xiaosheng, MU Jinchi. et al. Low-Carbon Chemistry and Chemical Engineering. 2025, 50(2):148-156 [3] Rong Suna, Weicheng Xua, Xuchao Wang. et al. Fuel 381 (2025) 133534 [4] Rong Sun, Xuchao Wang, Weicheng Xu. et al. J. Iron Steel Res. Int. (2025) 32:1540–1554 推荐阅读 【案例追踪】原子渗透的MoP-WOx核壳催化剂选择性氧化燃料中噻吩硫化物 【案例追踪】金属有机框架衍生的碳负载的钼催化剂中磷化物与载体的电子相互作用
