【Carbon Neutrality論文薦讀】訾牧聰團隊：鈣基蒙脫石對水合物法碳捕集過程生成動力學的強化作用研究

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清華大學訾牧聰團隊在Carbon Neutrality上發表了水合物法碳捕集領域最新研究成果，通過鈣基蒙脫石材料改性與傳質強化雙路徑策略，大幅提升CO2水合物生成動力學，為低成本碳捕集提供了全新解決方案。

文章亮點

1. 系統闡明了鈣基蒙脫石對CO?水合物成核與生長的強化機制，為水合物法CO?集提供低成本高效促進方案；

2. 構建了“傳質強化+材料改性”雙路徑提升體系，解決了水合物法碳捕集反應慢、能耗高問題；

3. 酸浸改性工藝實現蒙脫石微觀結構重構，實現蒙脫石比表面積、孔容雙飛躍，在低能耗工況下仍保持頂級捕集能力。

內容簡介

全球CO?過量排放引發的氣候變化，已成為實現碳中和目標的核心挑戰。水合物法CO?捕集技術憑借高密度儲存、綠色安全等優勢，成為新一代碳捕集技術的研究熱點，卻長期受限于生成動力學緩慢、運行能耗高、促進劑成本高昂的行業瓶頸。

蒙脫石作為陸地儲量豐富、成本低廉的天然黏土礦物，具備調控水合物生成的天然優勢。清華大學訾牧聰團隊針對行業痛點，系統開展了鈣基蒙脫石強化CO?水合物生成動力學研究，構建了“傳質強化+材料改性”雙路徑提升體系，厘清了黏土礦物結構與水合物性能的構效關系，創新開發的酸浸改性蒙脫石實現了碳捕集性能的跨越式提升，為水合物法碳捕集技術的規模化應用提供技術路徑參考。

圖文導讀

結論一

低濃度鈣基蒙脫石可高效強化CO?水合物成核與生長，兼具高效性與經濟性

本研究首先在400 rpm低傳質條件下，設置了0.5wt%、1.0wt%、3.0wt%、5.0wt%四個濃度梯度的鈣基蒙脫石懸浮液體系，以純水體系為空白對照，系統探究了黏土濃度對CO?水合物生成全過程的調控規律。

實驗結果表明，鈣基蒙脫石可為水合物晶核提供大量非均質成核位點，顯著縮短成核誘導時間，5wt%鈣基蒙脫石體系誘導時間較純水體系縮短約71%。在生長階段，低濃度體系展現出更優異的捕集性能，0.5wt%鈣基蒙脫石體系最終CO?捕集容量達69.2 mmol/mol，顯著優于純水及高濃度體系。研究證實，低濃度黏土顆粒可強化液相擾動與氣液傳質，而高濃度體系會因黏度升高加劇傳質阻力，限制捕集性能提升。

圖1.低傳質條件下鈣基蒙脫石體系的CO?捕集特性：

(a) 成核誘導時間；(b)CO?捕集容量隨時間演化規律

結論二

外場傳質強化可突破體系性能上限，實現捕集能力大幅躍升

針對高濃度鈣基蒙脫石體系的傳質受限問題，研究團隊分別通過SDS表面活性劑復配與攪拌速率提升兩種方式，構建了外場傳質強化策略，系統探究了不同傳質條件對鈣基蒙脫石體系碳捕集性能的提升效果，為水合物法碳捕集的工藝參數優化提供了全面的數據支撐。

在SDS表面活性劑復配實驗中，研究團隊以1 wt%蒙脫石體系為基礎，設置了500 ppm、1000 ppm、2000 ppm、4000 ppm 四個SDS濃度梯度。實驗結果顯示，當SDS濃度≥1000 ppm時，體系性能出現顯著躍升：SDS 在溶液中形成大量膠束，可實現液相中 CO? 分子的局部富集，大幅提升局部成核驅動力，體系誘導時間最短可縮短至4.2 min；在水合物生長階段，≥1000 ppm SDS體系始終維持著更高的捕集速率，其中4000 ppm SDS體系的最終 CO? 捕集能力達到107.4 mmol/mol，較純鈣基蒙脫石體系提升超115%，接近水合物法碳捕集的理論容量上限。

圖2.不同濃度SDS表面活性劑復配條件下鈣基蒙脫石體系的CO?捕集特性：

(a) 成核誘導時間；(b)CO?捕集容量隨時間演化規律

在攪拌速率優化實驗中，研究團隊將攪拌速率從400 rpm提升至600 rpm，探究了強傳質條件下不同濃度蒙脫石體系的性能變化。結果表明，高轉速帶來的強流體剪切力，可持續打破氣液界面與顆粒表面生成的致密水合物膜，形成動態的氣體輸運通道，解決了水合物膜覆蓋導致的傳質中斷問題。在600 rpm條件下，1 wt%鈣基蒙脫石體系的CO?捕集能力達到93.4 mmol/mol，較400 rpm 同濃度體系提升88%；所有濃度體系的捕集性能，均較400 rpm條件出現顯著提升，證實了傳質效率是限制蒙脫石體系性能發揮的關鍵因素。

圖3. 不同攪拌速率下鈣基蒙脫石體系的CO?捕集特性對比：

(a) 成核誘導時間；(b) CO?捕集量增加率

此外，研究團隊通過反應釜的可視化視窗，直觀捕捉到了不同體系水合物的生長形態：高攪拌速率下，氣液界面的水合物膜始終存在動態間隙，為

CO?持續進入液相提供了穩定通道；而低轉速體系的水合物膜會快速完全覆蓋界面，導致反應提前停滯。這一可視化結果，為水合物法碳捕集的工藝參數優化與反應器結構設計，提供了直接的實驗支撐。

圖4. 不同傳質強化條件下CO?水合物生成過程可視化圖像：

(a)-(d)不同濃度SDS和轉速下的水合物生長形貌學規律

結論三

可膨脹層狀結構是蒙脫石強化水合物生成的核心，酸浸改性實現材料性能跨越式提升

為厘清黏土礦物本征結構對水合物生成的調控機制，研究團隊在600 rpm高傳質條件下，將鈣基蒙脫石與非膨脹型伊利石進行了全濃度梯度的對照實驗，從根源上揭示了黏土礦物結構與性能的構效關系。

圖5. 鈣基蒙脫石與伊利石的晶體結構示意圖

實驗結果顯示，在相同濃度條件下，伊利石體系的誘導時間均顯著長于蒙脫石體系，僅在0.5 wt%的極低濃度下展現出微弱的促進效果，其最終CO?捕集能力遠低于同濃度的鈣基蒙脫石體系。晶體結構分析揭示了二者性能差異的核心原因：鈣基蒙脫石是典型的2:1型黏土礦物，層間以可交換的鈣離子為橋接，具備優異的層間膨脹性，層間域可容納大量水分子與CO?氣體，形成豐富的納米限域空間，為水合物生成提供大量高效成核位點；而伊利石的層間由鉀離子緊密連接，屬于非膨脹型黏土，其比表面積與孔容遠低于蒙脫石，僅能依靠顆粒外表面提供有限的成核位點，因此對水合物生成的促進能力大幅受限。

圖6. 鈣基蒙脫石與伊利石體系的CO?捕集特性對比：

(a) 成核誘導時間；(b)CO?捕集量增加率

這一對照實驗證實了可膨脹層狀結構、高比表面積與豐富的納米限域空間，是黏土礦物強化水合物生成的核心機制?；谶@一核心發現，研究團隊創新采用6 mol/L鹽酸對鈣基蒙脫石進行酸浸改性，通過一步法實現了材料微觀結構的徹底重構，獲得了改性蒙脫石材料，并在400 rpm低傳質條件下對其性能進行了系統測試。

圖7.酸浸改性表征結果：(a)實驗流程與掃描電子顯微鏡圖像；(b) X射線粉末衍射圖譜；(c)熱重分析結果；(d)氮氣吸附-脫附等溫線；(e)傅里葉變換紅外光譜圖譜；(f) 1wt%蒙脫石與改性蒙脫石體系的粒徑分布；(g) 1wt%蒙脫石與改性蒙脫石體系的Zeta電位

材料表征結果證實了酸浸改性的顯著效果：SEM圖像顯示，原礦蒙脫石呈現致密的層狀結構，表面光滑、孔隙極少；而改性后的蒙脫石材料表面粗糙度大幅提升，原有的致密層狀結構被完全破壞，形成了高度分散的多孔無定形網絡結構。BET 測試結果顯示，改性后蒙脫石的比表面積從23.54
m2/g上升至312.12 m2/g，提升幅度達1226.08%；孔容從0.09 cm3/g 提升至0.73 cm3/g，增幅達711.11%，同時形成了以介孔為主、微孔為輔的分級孔道結構，為水合物生成提供了海量的成核位點與CO?吸附富集空間。

性能測試結果展現了改性材料的突破性表現：在400 rpm低傳質條件下，1wt%改性蒙脫石體系的CO?捕集能力達到93.9 mmol/mol，較同條件下的原礦蒙脫石提升83.9%；其性能甚至超過了原礦蒙脫石在600 rpm 高攪拌條件下的水平，成功實現了從依賴外場能量輸入的傳質強化到依靠材料本征特性的自主強化的根本性轉變。更具工業應用價值的是，改性蒙脫石展現出優異的循環穩定性。6次連續的水合物生成-分解循環實驗結果顯示，1 wt%改性蒙脫石體系始終維持著較短的誘導時間，CO?捕集能力始終穩定在90 mmol/mol 左右，未出現顯著的性能衰減，證實了改性材料的結構穩定性與長期復用性。

圖8. 鈣基蒙脫石與改性蒙脫石體系的CO?捕集特性對比：(a) 成核誘導時間；(b) CO?捕集量增加率(RC)；(c) 循環測試的CO?捕集量；(d) 循環測試的成核誘導時間

總結展望

本研究清晰厘清了鈣基蒙脫石、非膨脹型伊利石與酸浸改性蒙脫石三大體系，調控水合物成核與生長的微觀作用路徑差異，并構建了“傳質強化+材料改性”雙路徑提升體系，證實低濃度蒙脫石可作為低成本高效水合物促進劑，酸浸改性可在低能耗條件下實現捕集性能的跨越式提升，為水合物法碳捕集技術提供了全新的低成本解決方案。

圖9. CO?水合物生成的協同強化機制：(a)鈣基蒙脫石強化體系；(b)非膨脹型伊利石對照體系；(c)酸浸改性蒙脫石作用機制

未來，團隊將持續優化材料改性工藝，開展工業化中試實驗，推動技術在工業煙氣碳捕集場景的規?；瘧茫瑫r開發捕集-封存一體化技術，為我國“雙碳”目標的實現提供堅實的技術支撐。

原文信息

Enhancing CO?hydrate kinetics with cost-efective calcium-based montmorillonite for carbon capture

作者：

Hongyu Ye, Peng Dong, Mengya Niu, Yuanxin Yao, Daoyi Chen, Jun Duan and Mucong Zi*

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-026-00172-z

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-026-00172-z

Cite this article：

Ye, H., Dong, P., Niu, M. et al. Enhancing CO2 hydrate kinetics with cost-effective calcium-based montmorillonite for carbon capture. Carb Neutrality 5, 16 (2026). https://doi.org/10.1007/s43979-026-00172-z

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通訊作者信息

訾牧聰，清華大學深圳國際研究生院，副教授，博士生導師

研究領域

海洋油氣與礦產資源開發、天然氣水合物基礎科學與應用技術

個人簡介

訾牧聰，清華大學深圳國際研究生院副教授、特別研究員、博士生導師，深圳市鵬城孔雀計劃特聘人才。清華大學博士（環境科學與工程專業，導師：國家千人計劃特聘專家陳道毅教授），美國科羅拉多礦業大學博士后。研究方向為海洋油氣與礦產資源開發、天然氣水合物基礎科學與應用技術等。近幾年獲批國家自然科學基金青年項目、廣東省基礎研究面上項目、深圳市技術攻關重點項目和深圳市基礎研究面上項目等十余個科研項目。在Carbon Neutrality、Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Applied Energy、Renewable & Sustainable Energy Reviews等能源、化工領域頂級期刊累計發表SCI論文50余篇（一作/通訊35篇）; 授權發明專利5項。擔任中國可再生能源學會會員，Carbon Neutrality、Advances in Geo-Energy Research等頂級期刊青年編委。

聯系方式

E-mail: zimucong@sz.tsinghua.edu.cn

圖文來源：原文作者

編輯：Carbon Neutrality編輯部

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Carbon Neutrality 是由上海交通大學與Springer Nature合作出版的全球首本聚焦低碳科技領域的跨學科綜合性國際期刊，于2021年創刊。期刊面向碳中和科技前沿，主要刊載以低碳能源為主、同時涵蓋低碳環境與碳匯技術等方向的高水平原創論文，致力于打造碳中和技術領域的旗艦期刊和國際一流學術交流平臺。

期刊創刊主編由上海交通大學講席教授趙長穎擔任，榮譽主編由中國科學院工程熱物理研究所金紅光院士、上海交通大學黃震院士擔任。12名中國兩院院士擔任顧問編委，國際編委26名（占比50%）, 第四屆國家氣候變化專家委員會成員4名，全球高被引科學家7名，中國高被引學者25名。

目前, 期刊已被ESCI、EI、Scopus、CAS、DOAJ、CSCD數據庫收錄，創刊三年即獲得首個影響因子12.5，并位列JCR Q1區。期刊先后入選2023中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目、2025中國國際影響力優秀學術期刊，以及中國科協《科技期刊世界影響力指數（WJCI）報告》Q1區，在150種國際影響力優秀學術期刊（自然科學與工程技術英文）中位列第5位。

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