一、文章亮点 

 1.研究了不同因素对镁基胶凝材料水化机理的影响及对水化产物结构的调控； 2.综述了镁基胶凝材料的研究现状及在不同领域的应用前景； 3.对镁基胶凝材料在实际应用中所遇到的关键问题进行分析。 

 二、摘要图 

三、研究背景 

 随着工业化进程的加速和能源消耗的不断增长，温室气体排放尤其是二氧化碳（CO2）排放已成为导致全球变暖的主要原因之一。为实现碳中和目标，CO2捕集和太阳能热化学储能成为两项至关重要的技术。CO2捕集能够直接从排放源减少温室气体进入大气，而太阳能储能技术则有助于提升能源系统的灵活性和效率，促进可再生能源的广泛应用。 

 在此背景下，钙循环（Calcium looping, CaL）作为一种潜在的解决方案脱颖而出。CaL利用钙基材料在煅烧和碳酸化过程中的可逆反应，能够有效捕集CO2，同时能够在反应过程中储存能量，为能源的高效利用提供新途径。CaL技术的研发与应用，有望为构建低碳、绿色、可持续的能源体系提供有力支撑。 

 四、图文导读 

 氧化镁激发活性二氧化硅体系（Magnesium oxide-activated SiO2 system，MgO-MAS）是一种新型绿色低碳镁基水泥，主要由高活性氧化镁和活性二氧化硅在水化反应的作用下形成的一种胶凝材料。本文概述了MgO-MAS材料的水化机理，研究基于该机理的结构调控措施，并讨论了MgO-MAS材料的潜在应用和未来发展前景展望。

 图1. (A) 不同评估温度下 M-S-H 结构变化的 MD 模拟（红球代表氧原子，白球为氢原子，绿球为镁原子，黄球为硅原子）；

(B) M-S-H和C-S-H结构模型；(C) 结构示意图。 

图1展示了水化硅酸镁（magnesium silicate hydrate，M-S-H）和水化硅酸钙（calcium silicate hydrate，C-S-H）的分子结构，蛇纹石和滑石的分子结构与 M-S-H相似。MAS具有碱度低、强度高、比表面积大、耐腐蚀性好等特点，可应用于各种专业领域，包括固化核废料、吸附重金属离子和3D打印。

此外，它还具有在整个生命周期内实现低碳发展的潜力，通过添加更多固体废弃物，可进一步提高生产复合高炉矿渣的经济性。然而，由于存在重大挑战，MAS 在工程中的广泛应用目前受到限制。一方面，该体系的水化速度相对较慢，导致早期强度较低。另一方面，水化过程主要生成水化硅酸镁（M-S-H）凝胶，中间产物为 Mg(OH)2，这种成分导致水化产物主要呈凝胶状，无法形成晶体。因此，MAS 体系的体积稳定性受到影响，容易发生明显的变形和开裂。 

 图2. (A)系统中pH值为10时在50℃时水化硅酸镁（M-S-H）的形成；

(B) 基于不同碳酸镁和M-S-H相组成的MgO-CO2-H2O三元图（二氧化硅仅存在于M-S-H中）；

(C) 普通硅酸盐水泥熟料中的掺镁实验；(D) MAS体系反应图。 

利用轻烧氧化镁和硅灰（SF）生产 M-S-H 凝胶的方法已得到广泛研究，具体的水化反应如图2所示。当氧化镁溶解在水中（0-1天），溶液中Mg2+的浓度和 pH值增加，发生溶解沉淀反应。溶液中Mg2+和OH-的浓度达到饱和状态时，Mg(OH)2就会在氧化镁表面沉淀。体系pH值的增加会加速SiO2的分解，从而抑制MgO的水合作用。SiO2表面的硅酸根离子与溶液中的Mg2+发生反应，形成少量具有半透膜的M-S-H凝胶，反应速率在7到28天之间达到最大值。在养护28天后，M-S-H凝胶的形成率稳定，凝胶从硅灰表面向外延伸，SiO2重新溶解，形成“核壳结构”。这些反应始于氧化镁的溶解，可分为以下几个阶段：

MgO+2H2O→Mg2++2OH- 

Mg2++2OH-→Mg(OH)2 

SiO2+2H2O→H4SiO4 

aMg2++bSiO42-+cH2O→Ma-Sb-Hc 

 图3.  (A) 使用氧化镁煅烧2小时制备的样品SEM图像：(a)在20℃水中养护7 d，(b)在 50℃水中养护7 d，

(c)在80℃水中养护7 d，(d)在 20℃水中养护14 d；

(B) MgO-SiO2 浆料养护后的SEM：(a)Ref，(b)MSH，(c)在 200℃下固化3 h的MSH，(d)在400℃下固化 3h 的MSH；

(C)、(D)：(a)化学合成的 Ref-MSH，(b)试样SLS1（含偏硅酸钠的浆料），(c)试样SLS0（不含偏硅酸钠的浆料）的SEM和TEM图像。 

图3为MgO在煅烧2小时后制备的样品SEM图像。通过扫描电镜观察，可以区分C-S-H和M-S-H的微观结构形态。具体来说，C-S-H凝胶呈片状形态，表面延伸，而M-S-H凝胶则由球形颗粒组成。当两者处于混合状态时，M-S-H和 C-S-H的形态特征都会出现，这意味着这两种凝胶是不相溶的。在不同的固化条件下，M-S-H凝胶具有各种形状，包括云状、花瓣状和液滴状。

图4.  (A)不同纤维含量下试样的微观形貌：(a) 0%，(b) 0.3%，(c) 0.6%，(d) 0.9%，(e,f) 1.2%；

(B)5 wt.% 晶须复合材料中MHSH晶须的增强机理。 

图4为在不同纤维含量下试样的微观形貌图。在MAS系统中，由于缺乏“框架结构”，胶状结构占主导地位，导致系统稳定性差。因此，在MAS系统中建立“框架结构”已成为一个突出的研究领域。天然纤维被广泛用作水泥中的增强材料，但有机纤维在高碱性环境中会发生降解，M-S-H系统独特的低pH值为天然纤维的加入提供了更合适的基质，在M-S-H体系中加入1~5wt %的碱式硫酸镁晶须可提高抗压强度和抗折强度。 

 图5.  M-A-R-S的SEM图像（A）凝胶样品（对照样品）（a）碳化前，（b）碳化28天后；

（B）糊状样品（a）碳化前，（b）碳化28天后；（C）灰泥样品（a）碳化前，（b）碳化14天后，（c）碳化28天后。 

图5为不同试样在碳化前后的SEM图像。富碳环境中，M-S-H相的生成速度更快，M-S-H凝胶上吸附了少量Na+和CO32-，而显微测试结果表明，M-S-H凝胶的微观结构没有发生显著变化，研究将其归因于pH值和碳酸根离子存在的影响。NaHCO3可以加速SiO2的溶解，并通过将pH值调节到10.2左右来改善浆料的流动性，从而在无需任何分散剂的情况下以低 w/b 比合成M-S-H。当加入的Na2CO3 溶液接近饱和时，Mg(OH)2 和MS之间的反应程度最为显著，体系中碳酸根离子的存在会诱导水合碳酸镁作为竞争相的形成。 

 五、产业/应用前景 

 MgO-activated SiO2（MAS）材料应用于许多专业领域，包括固化核废料、吸附重金属离子和3D打印。它还具有在整个生命周期内实现低碳发展的潜力，通过添加更多固体废弃物，可进一步提高生产复合高炉矿渣的经济性，在固化核废料、重金属污泥和建筑材料领域，MAS系统已成为波特兰水泥的可行替代品。

MAS系统在这些领域的成功应用取决于对系统固有属性的利用，如低pH值和致密的微观结构。未来，严峻环境挑战的出现将为MAS系统的广泛采用和应用创造更多机会。尽管目前对MAS系统的研究仍面临早期强度和耐久性方面的挑战，但这些水泥可能会逐渐在实际工程应用中发挥更重要的作用。 

 六、文章链接 

 Jia Y., Zhang J.B., Zou Y.X., Guo Q., Li M., Zhang T.T., Cheeseman C. Development and Applications of MgO-activated SiO2 system—achieving a low carbon footprint：A review. Green  Energy and Resources 2024, 2(2): 100072. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gerr.2024.100072 

七、作者简介 

 贾援（第一作者），华北理工大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师，博士毕业于大连理工大学，主要从事新型胶凝材料的研发和工业固体废弃物的资源化利用中的研究；现任无机非金属材料工程专业系主任，河北省“三三三”人才，中国硅酸盐学会房屋建筑材料分会理事、固废与生态材料分会理事会青年工作委员会委员，河北省工业和信息化厅专家库专家，河北省工业固体废弃物资源综合利用委员会专家，河北省科技特派员，河北省燕赵英才，河北省科技型中小企业创新英才；主持或参与横向项目10余项，在国内外重要期刊发表相关学术论文20余篇，其中以第一作者（通讯作者）发表SCI论文12篇（JCR 2区以上论文6篇），其中《Cement and Concrete Research》、《Composites Part B: engineering》、《Cement and Concrete Composites》均为国际公认的行业顶刊，申请国家发明专利6项。 

 张婷婷（通讯作者），大连理工大学建设工程学院教授，博士生导师，博士毕业于英国帝国理工学院（Imperial College London）土木工程专业，主要从事镁基胶凝材料、固废资源化及核废料封装方面的研究工作；近年来主持了“十四五”国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、青年基金；国家重点研发计划国际合作专项、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才专项项目、辽宁省百千万人才工程项目等纵向科研项目十余项，公开发表学术期刊论文70余篇，其中SCI收录50余篇；担任中国硅酸盐学会固废与生态材料分会地聚物产业化专委会副秘书长、中国散装水泥推广发展协会粉煤灰专业委员会副秘书长、中国硅酸盐学会固废分会冶金渣综合利用专业委员会委员、中国电子显微镜学会无机非金属材料微观测试与分析专业委员会委员等，《Journal of Sustainable Cement-based Materials》、《Green Energy Resources》、《Material Report: Solid Waste & Ecomaterials》《矿冶》《黄金科学与技术》等国内外期刊编委/青年编委。