随着水泥与混凝土行业持续推进低碳转型，如何在降低传统硅酸盐水泥用量的同时，实现 CO₂ 的有效捕集与矿化，正在成为材料研究的重要方向。
近日，宾夕法尼亚州立大学研究人员在 ACS Sustainable Chemistry & Engineering 发表研究论文 “Pairing Chemical Activation and Carbonation of Basalt to Manufacture Novel Supplementary Cementitious Materials that Incorporate Carbon Capture”。
研究将高能机械活化与 CO₂ 矿化相结合，探索玄武岩细粉作为新型辅助胶凝材料（SCM）的潜力。研究过程中采用包括 XRD、BET、TGA、FT-IR、ICP-MS 以及扫描电子显微镜 SEM 及 EDS 能谱分析 在内的多种材料表征技术，对机械碳酸化前后玄武岩颗粒的结构、形貌、元素分布和反应活性进行了系统分析。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6c00877
设备型号：
Phenom ProX 台式扫描电镜能谱一体机
PART 01 从玄武岩到低碳辅助胶凝材料
辅助胶凝材料可以部分替代普通硅酸盐水泥，是降低混凝土体系碳排放的重要技术路径。但目前广泛使用的粉煤灰、矿渣等材料，其供应受其他工业过程影响，因此研究人员开始关注更加丰富、可持续的矿物原料。
玄武岩分布广泛，同时含有 Ca、Mg、Si、Al 等多种矿物组分。如果通过机械作用促进矿物结构破坏和离子释放，就有可能进一步与 CO₂ 发生反应，实现机械活化与矿物碳酸化的协同作用。
本研究采用高能研磨方式，在 CO₂ 环境下对玄武岩细粉进行机械碳酸化处理，并设置 250–500 rpm 转速以及 10–40 球粉比（b/p）等不同条件，观察机械参数对材料结构与性能的影响。研究最终发现，更高的球粉比和研磨强度能够显著改变玄武岩的微观结构，并进一步影响材料的碳酸化行为和火山灰反应活性。
PART 02 扫描电镜观察：颗粒并非简单“越磨越细”
在机械活化过程中，一个值得关注的现象是：玄武岩颗粒并不是随着研磨强度提高而持续变小。
研究人员利用飞纳台式扫描电镜能谱一体机 Phenom ProX 对不同处理条件下的玄武岩颗粒进行 SEM 微观形貌观察。
从扫描电镜图像可以直观看到，未经处理的玄武岩颗粒具有较为完整的块状结构；经过高能研磨后，颗粒表面逐渐变得粗糙，并出现大量细小颗粒附着和重新聚集现象。
尤其是在较高球粉比条件下，大量碎裂形成的微细颗粒进一步发生团聚，最终形成新的较大颗粒聚集体。
下图对比展示了机械碳酸化前后玄武岩的扫描电镜图像。SEM 结果表明，高能研磨过程中存在明显的焊合、破碎、碎化和再焊合过程，由此产生复杂的颗粒重构行为。
这一结果也与粒径分析相互印证。
原始玄武岩的 Dv(50) 为 24.5 μm，而在 500 rpm、40 b/p 条件下，Dv(50) 增加至约 307 μm，Dv(90) 则达到约 879 μm。研究认为，这种粒径增加并不意味着颗粒没有被破碎，而是说明机械研磨过程中产生的大量细颗粒随后发生了明显团聚。
与此同时，BET 比表面积也明显增加。例如，原始玄武岩的 BET 比表面积为 6.3 m²/g，250 rpm、40 b/p 条件下可提高至 29.2 m²/g。
也就是说，宏观粒径增大的同时，颗粒内部和表面的微观结构实际上变得更加复杂。
PART 03 SEM-EDS 进一步解析元素分布
除了观察颗粒形貌，研究还利用 Phenom ProX 的 SEM-EDS 能谱分析功能进一步研究机械碳酸化后玄武岩颗粒中的元素空间分布。
下图对原始玄武岩以及不同球粉比、不同转速条件下的样品进行了 EDS 元素面扫描和点分析，主要关注 Si、Mg、Fe、C、Ca 和 Al 等元素。
结果显示，经过高能研磨后形成的团聚颗粒仍然以 Si、Fe、Mg 等元素为主，不同元素总体呈现较为随机的空间分布，同时局部区域能够观察到特定元素富集。
研究人员据此认为，高能研磨使玄武岩经历持续的破碎—溶解—团聚—重构过程，而扫描电镜结合 EDS 能谱分析，为判断不同矿物组分在这一过程中的变化提供了直接的微观依据。
值得注意的是，论文也指出，仅凭 SEM-EDS 尚不能直接证明碳已经以矿物碳酸盐形式储存在玄武岩颗粒内部，因此研究团队进一步结合 XRD、TGA 等方法验证碳酸盐的形成。
PART 04 CO₂ 最终去了哪里？
研究发现，高能研磨能够促进玄武岩中 Ca、Mg 等离子的释放。
随着机械碳酸化反应进行，溶液中的 Ca²⁺ 与 CO₂ 在水中形成的碳酸盐/碳酸氢根进一步发生反应，最终生成 CaCO₃。
经过一段时间后，研究人员在玄武岩浆液表面观察到了明显的碳酸钙晶体。XRD 表明，这些新生成的 CaCO₃ 主要由方解石和文石组成。
在较高球粉比条件下，经过约 8 周后，CaCO₃ 含量增加约 1.75–2 g/250 g 玄武岩，相当于每 100 g 玄武岩增加约 0.7–0.8 g CaCO₃。
PART 05 不只是固碳，材料反应活性也明显提升
对于辅助胶凝材料而言，仅仅能够捕集 CO₂ 还不够，材料本身还需要具备足够的反应活性。
研究通过 R3 等温量热方法评价不同玄武岩样品的火山灰反应活性。
结果显示，随着球粉比以及材料比表面积增加，机械碳酸化玄武岩的反应活性显著提高。其中 40 b/p 条件下样品的放热量达到约 160 J/gSCM，相较于原始玄武岩约 30 J/gSCM 的水平，提高约 4 倍，已经接近部分粉煤灰材料的反应活性。
综合来看，更强的机械作用一方面促进矿物晶体结构破坏、颗粒表面重构以及比表面积增加；另一方面也促进 Ca、Mg、Si 等离子的释放，从而影响后续碳酸盐形成及辅助胶凝材料反应活性。
▌ 总结
这项研究表明，玄武岩机械碳酸化并不是简单的“研磨+吸收 CO₂”，而是涉及矿物晶体破坏、颗粒碎裂、离子释放、颗粒重新团聚以及碳酸盐沉淀等一系列相互耦合的微观过程。
最终，机械碳酸化使体系 CaCO₃ 形成量提高约 50%，同时玄武岩的火山灰反应活性提高约 4 倍。研究认为，这类具有 CO₂ 矿化能力的高活性玄武岩材料，有望进一步探索其作为低碳辅助胶凝材料的应用潜力。
在整个研究过程中，扫描电镜（SEM）承担了非常关键的微观结构表征任务：通过高分辨扫描电镜成像，可以直接观察机械碳酸化前后玄武岩颗粒表面粗糙度、碎裂及团聚行为；结合 EDS 能谱分析，还能够进一步获取 Si、Mg、Fe、Ca、Al 等元素的空间分布信息。
