球霰石碳酸钙胶凝材料扫描电镜表征

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飞纳电镜 Phenom扫描电镜表征案例｜CO₂ 矿化制备碳酸钙胶凝材料的微观结构

2026-11-10

《Advanced Functional Materials》近日发表研究论文 From Waste to Value: Conversion of Calcium Sulfate to Vaterite via Carbon Capture and Storage，提出一种在常温条件下将工业副产石膏转化为高纯度球霰石（Vaterite）、并进一步制备碳酸钙胶凝材料的技术路线。研究团队使用飞纳电镜 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜，在 10 kV 加速电压下对硬化胶凝材料的内部结构进行表征，为分析晶型转变与宏观力学性能之间的关系提供了形貌证据。

研究的关键数据：合成石膏可转化为纯度超过 98% 的球霰石，天然石膏对应纯度约 95%；产物比表面积 9–22 m²/g，由尺寸小于 75 nm 的纳米颗粒组装而成；经晶型转变与养护后，材料抗压强度可达约 9.4 MPa。

一、研究背景：让含钙废弃物"变废为宝"

随着全球碳减排需求不断增加，二氧化碳捕集、封存与利用（CCUS）已成为材料科学与环境工程领域的重要研究方向。其中，CO₂ 矿化技术通过将二氧化碳转化为稳定的碳酸盐矿物，为碳资源的长期固定及高附加值利用提供了新的可能。

硫酸钙（CaSO₄）广泛存在于工业副产物和建筑废弃物中，例如脱硫石膏、磷石膏及废弃石膏板等。如何利用这些含钙资源实现 CO₂ 矿化，同时获得具有应用价值的功能材料，是推动循环经济发展的重要研究课题。

二、研究方法：从硫酸钙到高纯度球霰石

球霰石（Vaterite）是无水碳酸钙（CaCO₃）的三种主要晶型之一。与方解石（Calcite）和文石（Aragonite）相比，球霰石属于亚稳态晶型，具有较高的比表面积和反应活性，在功能填料、医药及建筑材料等领域具有潜在应用价值。然而，制备高纯度球霰石通常需要特定的反应条件或添加剂。

本研究以石膏、半水石膏和无水硫酸钙为原料，分别与碳酸盐溶液或通过 CO₂ 吸收制备的碱性碳捕集溶液反应，系统研究不同硫酸钙原料对碳酸钙晶型形成的影响。以石膏作为钙源时，反应主要经历石膏溶解 → 无定形碳酸钙（ACC）形成 → 球霰石结晶三个阶段。

通过原位拉曼光谱及其他分析手段，研究人员观察到，无定形碳酸钙能够在反应初期快速形成，并在数分钟内转变为球霰石。相比之下，以半水石膏或无水硫酸钙为原料时，在相应实验条件下更倾向于生成热力学稳定的方解石。这表明，硫酸钙的溶解动力学及反应溶液条件是影响碳酸钙晶型选择的重要因素。

图1 碳酸化反应的原位拉曼监测结果

三、研究结果：纯度超过 98% 的球霰石

研究人员利用粉末 X 射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）和氮气吸附等技术对制备得到的球霰石进行表征。结果显示，在不同碳酸化反应条件下，合成石膏可以转化为纯度超过 98% 的球霰石；使用天然石膏时，球霰石纯度约为 95%。所得材料的比表面积为 9–22 m²/g，表明其具有较为发达的微观表面结构。

电子显微镜图像显示，所得球霰石通常呈现微米尺度的球形或不规则团聚体，其内部由尺寸小于 75 nm 的纳米颗粒构成。这种由纳米颗粒组装形成的多级结构，是球霰石具有较高比表面积的重要原因之一。

此外，研究发现钠离子和钾离子环境会对颗粒整体形貌产生影响：钾盐体系更容易形成相对规则的球形颗粒，而钠盐体系中可观察到星形或类似橄榄球的不规则形貌。这说明，通过调节碳酸化反应体系，可以影响球霰石的晶体形貌与微观结构。

图2 不同碳酸化条件下生成的球霰石 SEM 图像

四、飞纳电镜表征：硬化胶凝材料的内部结构

获得高纯度球霰石后，研究人员进一步探索了其在建筑胶凝材料中的应用潜力。实验将球霰石粉末与含有 Mg²⁺、Sr²⁺ 的水溶液混合，并在特定温度下进行养护，以促进球霰石向文石（Aragonite）转变。这一过程主要通过溶解—再沉淀机制（Dissolution–Reprecipitation）实现：随着球霰石逐渐溶解并重新结晶，原本呈球形的颗粒转变为针状、柱状等不同形貌的文石晶体，晶体在生长过程中相互交织，形成具有一定机械强度的固体结构。

为进一步研究材料硬化后的内部微观形貌，研究人员使用飞纳电镜 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜，在 10 kV 加速电压下对硬化碳酸钙胶凝材料进行 SEM 表征。红外光谱证实，经过反应与养护后，原始球霰石能够转化为文石；力学测试表明，在合适的实验条件下，材料抗压强度可达到约 9.4 MPa，与本研究测试条件下的普通硅酸盐水泥样品处于可比水平。

通过 Phenom Pharos G2 获得的 SEM 图像，研究人员进一步观察到硬化材料内部存在特殊的多孔结构，主要表现为：

· 微米级中空球形结构：材料内部保留了大量直径为数微米的中空区域。

· 文石晶体结构：在特定养护条件下，能够观察到针状或柱状文石晶体。

· 多孔微观组织：晶型转变及材料硬化过程形成了具有一定孔隙特征的内部结构。

图3 Phenom Pharos G2 获得的硬化碳酸钙胶凝材料内部微观结构，可见中空球形结构与晶体组织

研究人员认为，中空球形结构可能源于原始球霰石颗粒的溶解，以及周围区域文石晶体的重新沉淀。这种微观结构既能够赋予材料一定的机械强度，也可能降低材料密度，为开发轻质建筑材料提供新的思路。

研究进一步发现，球霰石向文石的转化程度是影响胶凝材料抗压强度的重要因素，但晶体形貌同样不可忽视。当材料中形成具有较高长径比的针状或柱状文石晶体时，晶体之间更容易产生相互交织的结构，从而有利于提高材料的机械强度；相比之下，即使球霰石已经充分转化，如果生成的晶体以等轴状或片状为主，材料的抗压强度也可能受到限制。因此，晶型转变程度与晶体微观形貌共同影响碳酸钙胶凝材料的最终性能。

五、研究总结

本研究提出了一条将硫酸钙资源化利用与 CO₂ 捕集相结合的技术路线：通过常温水溶液中的碳酸化反应，将石膏转化为高纯度、高比表面积的球霰石，并通过进一步的晶型转变制备出具有一定抗压强度的碳酸钙胶凝材料。这一研究不仅拓展了球霰石的绿色制备方法，也展示了其在低环境影响建筑材料领域的应用潜力。

值得注意的是，该技术目前仍处于研究阶段，其规模化应用还需要进一步评估原料适应性、反应成本、产物分离及工艺可持续性等问题。在材料性能研究方面，Phenom Pharos G2 为硬化碳酸钙胶凝材料的微观结构分析提供了直观的形貌信息，帮助研究人员建立晶型转变、晶体组织与宏观力学性能之间的联系。从 CO₂ 矿化产物的形貌观察，到新型胶凝材料的内部结构分析，扫描电子显微镜在低碳材料研发与微观机制研究中发挥着重要作用。