美國西北大學開發碳負建材　海水變綠色混凝土！

圖、文／永續新聞網

西北大學科學家開發碳負型建材，助力永續建設。西北大學（Northwestern University）工程學院的科學家近日宣布，他們成功利用海水、電能與二氧化碳（CO₂），開發出一種全新的碳負型建築材料。該技術不僅能夠 永久封存CO₂，還能將其轉化為高價值建材，如 混凝土、水泥、石膏與塗料，並在過程中產生氫氣，作為潔淨燃料應用於運輸等領域。

▲西北大學科學家開發創新技術，利用海水與電能將CO₂轉化為建材，助力建築業實現碳封存。（圖／永續新聞網）

這項研究於3月19日發表在國際期刊 《Advanced Sustainable Systems》，並由西北大學Louis Berger土木與環境工程副教授Alessandro Rotta Loria領導。研究團隊成員還包括 化學與生物工程助理教授Jeffrey Lopez及多位博士生與研究人員。此外，全球建築材料公司Cemex亦參與該研究，這是西北大學與Cemex在永續建築領域的長期合作計畫之一。

突破性技術：以海水與電能「生長」建材

當前，全球各地的研究人員正積極開發 碳捕捉與封存技術（CCS），希望將CO₂儲存於地底 以減緩氣候變遷。然而，這種方法無法充分發揮CO₂的價值。西北大學的最新技術則提供了一種創新解方，不僅能封存CO₂，還能將其轉化為建築業所需的重要材料。

「我們的技術能夠 利用海水來製造碳負型建築材料，」Rotta Loria表示。「傳統上，混凝土、水泥、塗料和石膏都需由鈣和鎂等礦物製成，這些礦物通常來自山脈、河床、海岸或海底的砂石開採。在與Cemex的合作下，我們開發出一種不需開採地球資源，而是透過電能與CO₂在海水中培育類似砂石的材料 的新方法。」

仿生技術：以電能模擬貝殼形成機制

這項新技術靈感來自貝殼與珊瑚的自然形成過程。自然界中，珊瑚和貝類利用新陳代謝能量，將海水中的離子轉化為碳酸鈣（CaCO₃），形成堅硬的外殼。而西北大學團隊則運用電能來驅動這一過程，並通過CO₂注入來加速礦化反應。

具體實驗過程如下：

在海水中插入電極，施加低電壓電流，使水分子電解，產生氫氣與氫氧根離子（OH⁻）。

持續通入CO₂氣體，增加海水中的碳酸氫根離子（HCO₃⁻） 濃度。

氫氧根離子與碳酸氫根離子進一步與海水中天然存在的鈣（Ca²⁺）與鎂（Mg²⁺）反應，最終形成碳酸鈣與氫氧化鎂（Mg(OH)₂） 等固體礦物。

碳酸鈣直接充當碳封存介質，而氫氧化鎂則能進一步與CO₂反應，增強碳封存效果。

「這項技術的優勢在於 不破壞生態環境，而是運用科學來善用環境資源，開發出對建築業有價值的材料，」Cemex全球研發副總裁Davide Zampini表示。

雙重突破：控制材料特性，擴展應用場景

在一系列實驗中，研究人員發現：可在電極周圍「生長」砂狀礦物，或直接在溶液中形成顆粒。可通過調節電壓、電流、CO₂ 注入量、海水流速等變數，控制最終材料的成分與結構。

根據不同條件，所得材料可以是較鬆散多孔的顆粒，也可以是較致密堅硬的結構，但主要組成始終是碳酸鈣與氫氧化鎂。

「我們證明了這些材料的 化學成分、粒徑、形狀、孔隙率等特性均可控，」Rotta Loria 說。「這賦予我們極大靈活性，使其適用於 不同類型的建築應用。」

這些新材料可以：

作為混凝土的砂石與礫石替代品（混凝土主要成分 60-70% 為砂石）。

用於水泥、石膏與塗料生產。

碳封存潛力：讓建築結構成為碳匯

研究團隊計算得出，這種材料的CO₂封存能力極高。例如，若材料成分為50%碳酸鈣、50%氫氧化鎂，則每1公噸材料可封存超過0.5公噸CO₂。

此外，該技術不會影響混凝土或水泥的強度，並且可以在模組化反應器中進行大規模應用，而 不直接影響海洋生態系統。

「這種技術允許我們完全控制水體的化學成分與排放，確保水回注至開放海域前，已經過適當處理與環境驗證，」Rotta Loria 說。

根據世界經濟論壇（WEF），全球水泥產業碳排放占比高達8%，是世界第四大碳排放源。當考慮混凝土生產時，排放量更為驚人。因此，這項技術有望在建築產業實現碳中和，甚至達成負碳排放。