深部碳揭祕

香港科大的一項最新研究表明，地球內部的CO2可能比之前認識的更加活躍，並在地球氣候變化過程中扮演更重要的角色。

 

這項由潘鼎教授領導的研究主要關注CO2在水中的溶解過程，對減少地下封存的碳逃逸回大氣有重要意義。

 

地球的碳大部分儲存在其內部。地球內部的碳會影響地表碳的總量和分布，對地質學時間尺度上的氣候變化有深刻影響。因此，了解地表數百公里以下碳的存儲狀況非常重要。

 

“現有的研究主要集中在地表以上或者附近的碳的種類。然而，超過90%的地球的碳存儲在地殼、地幔、甚至地核，我們對此知之甚少”，潘教授說。

 

採用物理中的第一性原理模擬，他的團隊發現在地球內部的碳循環中二氧化碳比之前認識的要更加活躍，這對碳在地表和地球內部存儲池之間的輸運有很大的影響。

 

這項研究發現，將水和二氧化碳限制在合適的納米多孔材料中可以提升地下碳存儲的效率。在碳捕捉和存儲過程中，在納米受限條件下將二氧化碳和水混合再轉變成碳酸鹽礦物是一個安全的辦法，可以永久性地將碳存儲於地下，碳逃逸回大氣的風險低。

 

這些發現剛剛發表於國際性期刊《自然通訊》。

 

“二氧化碳溶於水每天都在發生，但它的普遍性掩蓋了其重要性。該過程對地球碳循環有重要意義，並在地質學時間尺度下深刻影響了全球氣候變化和人類的能源消耗,” 潘教授說。

 

“該研究是探索極端條件下二氧化碳水溶液的獨特物理和化學性質的重要進展”

 

之前的研究集中在體相溶液中溶解的碳的性質，但在地球內部或者碳輸運過程中，水溶液經常被限制在納米尺度下地球岩石的孔隙、晶粒邊界或斷裂處，那裏的空間限制和界面化學可以使水溶液的表現完全不同。

 

“含碳流體可以深達數百公里，現階段無法直接觀測。實現地球內部的高溫和高壓並在實驗室中進行測量同樣困難重重”，他說。

 

潘教授目前是大學的物理系和化學系雙聘副教授。他的團隊成員有博士生Nore Stolte和侯睿。他們對水中二氧化碳在納米受限條件下的反應進行模擬。

 

通過比較含碳水溶液被石墨烯（單原子層石墨）和斯石英（二氧化硅的一種高壓相）納米受限，以及溶液的體相，他們發現二氧化碳在受限狀態下反應更多。

此項研究對探索地球內部更複雜的水中碳反應開闢了道路，如金剛石的生成、石油的非生物起源、甚至生命的起源。接下來，該團隊希望探索碳可否更進一步反應生成構成有機物質的複雜分子。

 

潘教授專注於開發和應用計算和數值方法從第一性原理出發理解和預測水、固體、以及納米結構的行為和性質。在高性能計算機的幫助之下，他的團隊正在對關乎人類可持續發展的急迫和基礎性的科學問題，如水科學、深部碳循環以及清潔能源等，尋找答案。

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