CO₂ 矿化碳酸钙胶凝材料如何形成：飞纳电镜 Phenom Pharos G2 表征

工业副产石膏能否同时用于固定 CO₂ 和制备胶凝材料？相关研究提出了一条从硫酸钙到高纯度球霰石，再到碳酸钙胶凝材料的技术路线。飞纳电镜 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜用于观察硬化材料内部的中空球形结构、针状或柱状文石晶体及多孔组织，为分析晶型转变、晶体形貌和宏观力学性能之间的关系提供了形貌依据。

研究解决了什么问题

脱硫石膏、磷石膏和废弃石膏板等含有硫酸钙。研究团队希望利用这类含钙资源进行 CO₂ 矿化，并获得具有应用价值的碳酸钙材料。实验以石膏、半水石膏和无水硫酸钙为原料，分别与碳酸盐溶液或由 CO₂ 吸收制备的碱性碳捕集溶液反应，比较不同原料和反应条件对碳酸钙晶型的影响。

研究数据速览

石膏如何转化为球霰石

以石膏作为钙源时，反应主要经历石膏溶解、无定形碳酸钙形成和球霰石结晶三个阶段。原位拉曼光谱及其他分析手段显示，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。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。

图1 不同硫酸钙原料碳酸化反应的原位拉曼监测结果

球霰石具有怎样的微观形貌

粉末 X 射线衍射、SEM 和氮气吸附结果显示，所得球霰石通常呈微米尺度的球形或不规则团聚体，内部由小于 75 nm 的纳米颗粒构成。钾盐体系更容易形成相对规则的球形颗粒，钠盐体系中则可观察到星形或类似橄榄球的不规则形貌，说明反应体系会影响晶体整体形貌。

图2 不同碳酸化条件下生成的球霰石 SEM 图像

Phenom Pharos G2 观察到哪些硬化结构

获得高纯度球霰石后，研究人员将球霰石粉末与含 Mg²⁺、Sr²⁺ 的水溶液混合，并在特定温度下养护，促进球霰石向文石转变。该过程主要通过溶解和再沉淀实现，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。

在 10 kV 加速电压下，Phenom Pharos G2 对硬化碳酸钙胶凝材料内部进行 SEM 表征，图像中可以观察到三类结构：直径为数微米的中空球形区域、特定养护条件下形成的针状或柱状文石晶体，以及晶型转变和材料硬化过程中形成的多孔组织。

图3 Phenom Pharos G2 获得的硬化碳酸钙胶凝材料内部结构

微观形貌与抗压强度有什么关系

力学测试显示，在合适实验条件下，材料抗压强度约为 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。研究认为，球霰石向文石的转化程度会影响抗压强度，晶体形貌同样重要。长径比较高的针状或柱状文石更容易相互交织；如果生成的晶体主要呈等轴状或片状，即使晶型转变较充分，材料强度仍可能受到限制。

中空球形结构可能源于原始球霰石颗粒的溶解和周围文石晶体的重新沉淀。这种结构可能在提供一定机械强度的同时降低材料密度，但这一判断仍需结合进一步研究。

扫描电镜在这项研究中提供什么证据

扫描电镜用于观察球霰石颗粒形貌和硬化胶凝材料内部结构。晶型确认主要来自原位拉曼、红外光谱和粉末 X 射线衍射，抗压强度来自力学测试。因此，SEM 结果应与晶型和性能数据结合解读，不能单独用于判断材料成分、晶型或力学性能。

图4 飞纳电镜 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜

研究目前处于什么阶段

该技术目前仍处于研究阶段。原料适应性、反应成本、产物分离以及工艺可持续性等问题，仍需在规模化应用前进一步评估。现有结果展示了硫酸钙资源化利用与 CO₂ 捕集相结合的可行研究路径，也说明扫描电镜能够为低碳材料的微观结构研究提供直接的形貌信息。

常见问题

Phenom Pharos G2 在本研究中用于什么任务？

用于在 10 kV 加速电压下观察硬化碳酸钙胶凝材料的内部形貌，包括中空球形结构、文石晶体和多孔组织。

SEM 能否直接确认球霰石向文石转变？

不能单独确认。晶型转变由拉曼、红外光谱和 PXRD 等方法确认，SEM 用于观察相应的形貌和组织变化。

这类材料是否已经可以规模化应用？

原文明确指出仍处于研究阶段，规模化应用还需评估原料、成本、分离和工艺可持续性。

研究信息：From Waste to Value: Conversion of Calcium Sulfate to Vaterite via Carbon Capture and Storage，Advanced Functional Materials；DOI：10.1002/adfm.202519977；