清华新闻网7月21日电 随着全球气候变化加剧与碳减排需求持续增长，探索高效、安全的离岸二氧化碳（CO2）封存技术是实现碳中和目标的重要途径之一。CO2海底水合固化封存具有封存容量大、自封闭且稳定性强等优势，然而，海水中水合物生成速率缓慢，成为高效、快速构建CO2水合物盖层的重要挑战。
图1. C/W乳液形成与破乳过程的动态形貌演化
针对上述问题，清华大学深圳国际研究生院殷振元副教授团队提出了一种通过构建稳定水包液态二氧化碳乳液（C/W）强化水合物动力学的新方法。在模拟海水环境下，通过引入一种环保型非离子表面活性剂烷基糖苷（APG），在高速剪切作用下，将原本不互溶的液态CO2分散成微米级CO2液滴，构建了稳定的C/W乳液体系（图1）。
图2.基于高压微流控的CO2液滴原位表征及孔隙尺度水合物生成强化机理
团队通过重构液态CO2/水两相接触模式，有效增加了液态CO2与水接触面面积，极大增加了CO2溶解度并缩短了CO2传质距离（图2）。
图3.模拟海水条件下C/W乳液强化CO2水合物动力学特性对比
团队通过设计原位全可视化实验，发现与非乳液体系相比，C/W乳液体系中CO2水合物在成核后呈现出更加迅速且持续生长特性，显著缩短了盐水中CO2水合物的生成时间。优化后的C/W乳液体系能够兼顾C/W乳液长期稳定性与CO2水合物动力学强化效果，在模拟海水条件下实现了188.5v/v的CO2储量和2.93v/v·min-1的生成速率，是现有文献报道中CO2水合物在海水条件下的最快生成速率（图3），为强化海水中CO2水合物生成动力学提供了新思路。
为进一步验证海底沉积物中C/W乳液强化水合物生成效果，团队利用高压微流控平台观察到，水合物成核中大量分散的CO2液滴具有连续传导效应，极短时间内即可诱导孔隙内大范围水合物生成，液滴间的“奥氏熟化”现象进一步增强了CO2水合物稳定性。团队还通过原位拉曼光谱分析，在分子层面证实了水合物结构完整，验证了这套机制的可靠性。
图4.面向CO2海底固化封存的C/W乳液制备与水合物盖层强化生成示意图
团队提出这项技术解决了海水体系中液态CO2界面传质受限的难题，极大提高了CO2水合物生成效率，有助于海底沉积物内快速形成CO2水合物盖层，有效降低海底封存过程中的CO2泄漏风险。未来，团队将与涉海研究机构密切合作，在海上平台构建乳液高效制备与注入系统，直接利用海水形成C/W乳液制备-注入-强化生成的一体化方案，推动该方法在海底原位试验（图4）。同时，团队提出的构建乳液微反体系强化水合物生成策略，有望应用于CO2烟气分离、水合固化储氢等领域。
相关研究成果以“构建水包CO2乳液实现模拟海水中CO2水合物超快速生成及海底封存强化”（Engineered CO2-in-water emulsion enhancing CO2 hydrate kinetics in simulated seawater for effective subsea sequestration as clathrates）为题，在线发表于《碳捕集科学与技术》（Carbon Capture Science & Technology）期刊。
论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2024级资源与环境专业硕士生孙佳钰，通讯作者为殷振元副教授。论文合作者还包括北京怀柔国家实验室高级工程师李清平、新加坡国立大学讲席教授普拉文·林戈（Praveen Linga）等。
该研究得到了国家自然科学基金、科技部外国专家项目、广东省自然资源厅、深圳市科技创新局等支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ccst.2026.100648
供稿：深圳国际研究生院
编辑：李华山
审核：王晓霞
