水泥基材料表面CO2吸附的机理研究：基于第一性原理计算的覆盖度与预水化效应

为优化水泥基材料的CO2封存能力，研究人员通过第一性原理计算系统研究了CO2在β-C2S(100)和M3-C3S(001)表面的吸附行为，揭示了覆盖度与预水化对吸附能、Ca-O键稳定性及分子间相互作用的影响，为水泥工业碳捕集技术提供了原子尺度理论支撑。

　　

随着全球水泥年产量突破41亿吨，其生产过程中每吨水泥排放约900 kg CO₂的严峻现实，促使碳捕集与封存（CCS）技术成为研究热点。水泥主要矿物组分β-C₂S和C₃S虽具有碳化潜力，但高覆盖率下CO₂吸附的协同效应及预水化表面的影响机制尚不明确。中南大学等机构的研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算，首次揭示了多分子吸附条件下水泥基材料的构效关系，相关成果发表于《Environmental Research》。

研究采用维也纳第一性原理模拟软件包（VASP 5.4.4），基于广义梯度近似（GGA-PBE）泛函，对β-C₂S(100)和M3-C₃S(001)表面进行建模，系统考察了1/4至全覆盖（θ=1）的CO₂吸附行为。通过吸附能计算、Bader电荷分析、部分态密度（PDOS）和晶体轨道哈密顿布居（COHP）等表征手段，结合预水化表面模型，解析了吸附过程的电子结构演变。

吸附构型与能量
研究发现CO₂在β-C₂S(100)表面的吸附能随覆盖度增加从-0.82 eV（θ=1/4）降至-1.52 eV（θ=1），而M3-C₃S(001)表面因氧离子（O_i）的存在表现出更强的吸附稳定性（-1.23 eV至-1.89 eV）。高覆盖率下，位点饱和与分子间排斥导致平均吸附能降低，其中M3-C₃S表面Ca-O键的COHP积分值下降23%，表明键合强度减弱。

预水化效应
预水化表面使β-C₂S和M3-C₃S的CO₂吸附能分别降低34%和28%，羟基的空间位阻显著抑制了CO₂的配位能力。PDOS分析显示水化层使Ca-3d轨道与CO₂-2p轨道的重叠峰强度减弱41%，证实电子转移受阻。

结论与意义
该研究阐明了水泥矿物表面CO₂吸附的覆盖率依赖特性：M3-C₃S因本征氧缺陷表现出优于β-C₂S的吸附性能，而预水化处理会通过立体阻碍和电子屏蔽双重作用降低碳封存效率。这些发现为设计高活性碳化水泥材料提供了理论依据，指出通过调控表面氧空位浓度可优化CO₂捕获能力，对发展室温常压条件下的低碳水泥技术具有重要指导价值。