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Carbonation of MgO Single Crystals: Implications for Direct Air Capture of CO2

碳化作用 材料科学 化学工程 环境科学 矿物学 废物管理 工艺工程 化学 环境化学 复合材料 工程类
作者
Peng Yang,Jacquelyn N. Bracco,Gabriela Camacho Meneses,Ke Yuan,Joanne E. Stubbs,Mavis D. Boamah,Matthew Brahlek,Michel Sassi,Peter J. Eng,Matthew G. Boebinger,Albina Y. Borisevich,Anna K. Wanhala,Zhe-Ming Wang,Kevin M. Rosso,Andrew G. Stack,Juliane Weber
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (7): 3484-3494 被引量:11
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c09713
摘要

Direct air capture (DAC) may be feasible to remove carbon dioxide (CO2) from the atmosphere at the gigaton scale, holding promise to become a major contributor to climate change mitigation. Mineral looping using magnesium oxide (MgO) is potentially an economical, efficient, and sustainable pathway to gigaton-scale DAC. The hydroxylation and carbonation of MgO determine the efficiency of the looping process, but their rates and mechanisms remain uncertain. In this work, MgO single crystals were reacted in air or CO2 at varying humidities and characterized by X-ray scattering, microscopy, and vibrational spectroscopy. Results show that the hydroxylation formed a brucite (Mg(OH)2)-like layer immediately after crystal cleaving. Concurrently, the carbonation formed hydrated magnesium carbonate phases, including barringtonite (MgCO3·2H2O) and nesquehonite (MgCO3·2H2O), in the layer. Rapid initial growth of the layer is also manifested in short-range bending/warping of nanocrystallites, resulting in multiple orientations of the same phases on the surface. The layer growth slowed down over time, indicating surface passivation. The formation of barringtonite and nesquehonite with 1:1 CO3/Mg ratio indicates an efficient carbonation when compared to other magnesium carbonate phases of lower ratio. Our results are essential for understanding surface passivation mechanisms and tackling the passivation issue of mineral looping DAC technology.
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