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清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队在绿色航煤柔性合成领域取得重要进展


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清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队总结和展望了近年来将二氧化碳(CO2)转化为可持续航空燃料的创新途径,并结合具体的经济分析和工业模型的实用性,深入探讨了其环境优势、技术可行性等,旨在促进能源可持续性的讨论,强调复杂的二氧化碳转化之间的协同作用进程和实现全球碳中和的总体目标。



图文导读

Research Summary


绿色航煤,是指从非化石资源而来的C8–15液体烃类燃料,即可持续航空燃料(Sustainable Aviation Fuel, SAF)。航空燃料以C–C与C–H化学键为储能方式,其能量密度是商用锂离子电池的80倍,能量密度的巨大鸿沟使得航空领域难以迅速实现电动化,因此SAF成为世界航空工业净零排放的主要路线。截至2020年底,全球共有65个国家实施了SAF的强制掺混政策,至2027年,国际民航组织的碳减排抵消机制(CORSIA),将进入全面强制实施阶段。欧盟(EU)《可再生能源指令》规定,SAF掺入比例在2030年不得低于5%,2050年不得低于70%,其中通过二氧化碳捕集生产的电制燃料(eFuel)至2050年掺入比例不得低于35%;美国《通胀削减法案》就SAF进行税收减免,旨在2050年实现航空燃料100%使用SAF替代化石燃料。如图1所示,航空工业的“绿色屏障”使得SAF售价是石油基航空燃料的4倍,促使SAF成为能源领域中的“圣杯”,是绿色能源可盈利过程的先行范例。

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图1 各国GDP和化石能源使用关系

清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队在围绕“SAF的柔性合成”从分子层面的CO2催化转化、装备层面的高压多相流动调控以及系统层面的反应-传递工艺集成进行系统研究。所开发的“CO2加氢制可持续航空燃料(CO2 to SAF, CO2AFTM)”技术,是以CO2作为碳源,结合可再生风光发电/电解水得到的绿氢,生产高能量密度的液体航空燃料。


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图2. 世界光伏产业的学习曲线(产能-成本曲线);光伏与燃煤发电单位kWh的CO2排放对比;可再生能源的供给特征与减碳能力;可再生风光资源发展的预测;可再生能源领域不同国家的专利

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图3. 电制燃料过程(PtL)的技术路线;绿氢的生产成本预测

如图2所示,我国在可再生风光能源领域的发展速度位居全球首位,是CO2AF™技术发展的大背景。CO2AF™不仅能有效缓解全球航空业的碳减排压力,还能解决可再生电力与绿氢的储运消纳问题,成为电制燃料(Power to Liquids, PtL)的核心技术路径之一(图3)。清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队以“Fueling the future: Innovating the path to carbon-neutral skies with CO2-to-aviation fuel”为题在Carbon Future《碳未来》杂志文章中总结了近年来将CO2转化为可持续航空燃料的创新途径,基于技术经济分析探讨了不同工艺的减碳、效率与经济性,展望了未来PtL技术发展方向。


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图4. Carbon Future论文与Nature Communications论文

以风光为源头的可再生能源供给具有显著波动性,原料的波动势必要求CO2加氢制SAF在宽温度、压力与空速操作域实现柔性应对。这在分子层面对催化体系设计提出要求:保持CO2深度加氢能力的同时防止不可控C–C偶联;在高温下保持催化体系的长寿命。清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队创新设计了钙钛矿-分子筛耦合催化体系,在高压CO2加氢条件下获得了超60%的CO2转化率和超85%的SAF选择性,并通过了1000h的寿命测试;相关工作以“Upgrading CO2 to sustainable aromatics via perovskite-mediated tandem catalysis”为题在Nature Communications《自然·通讯》上在线发表。钙钛矿氧化物的通式为ABO3,具有角共享的[BO6]八面体骨架,A位La离子在钙钛矿[FeO6]结构中起到支柱作用,即保留了Fe系催化剂的强劲加氢能力,同时又有效抑制了渗碳过程中铁的迁移。


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图5. 钙钛矿-分子筛耦合催化体系上CO2加氢制航空燃料的性能

目前,围绕兼具定向合成与深度加氢的催化剂研发以及高压加氢多相流反应器设计,该团队已完成了CO2加氢绿色转化技术的百吨级中试验证;2022年5月在内蒙古鄂尔多斯举行了世界首套万吨级CO2加氢工业示范项目,为工艺技术可靠性奠定基础。2023年12月在黑龙江齐齐哈尔启动世界首套绿色航煤合成工业示范,本技术面向生物质CO2和可再生绿氢为原料,有助于实现航空飞行净零排放与高端绿色燃料合成的技术突破,在世界低碳核心技术领域提出中国方案!

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图6. 世界首套万吨级CO2AF™工业示范项目的启动仪式





文章信息:

Guo Tian, Chenxi Zhang*, and Fei Wei*,Fueling the future: Innovating the path to carbon-neutral skies with CO2-to-aviation fuelCarbon Future202419200010

https://doi.org/10.26599/CF.2024.9200010 


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作者简介

Authors


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田果,第一作者,目前于清华大学化学工程系魏飞教授课题组攻读博士学位。以第一作者/共同一作在Nat. Commun. (*2), ACS. Catal., 等期刊上发表SCI论文6篇。他的研究方向为:二氧化碳转化为高附加值化学品的催化剂的原子尺度设计。



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张晨曦,清华大学化学工程系副研究员,主要从事多相流反应工程方面的研究,重点围绕CO2转化这一国际学术前沿和国家重大需求开展工作。以第一或通讯作者在Science, Nat. Commun.,  Physics of Fluids, AICHE J, ACS. Catal.,《化工进展》等国内外学术刊物发表论文18篇;作为独立作者撰写专著《气固两相流》的“超可压缩性”;申请国家发明专利38项,科技成果转移三项;积极推动了多相流反应工程基础利用和应用研究的发展,为实现碳中和与高端能源安全目标储备重要技术。先后主持沙特阿美国际合作基金,内蒙古科技厅重大项目子课题,中石油科技创新基金,国家自然科学基金青年科学基金等。入选首届Particuology青年编委,北京市科协“青年人才托举工程”,中国颗粒学会青年理事等。



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魏飞,清华大学教授,长期从事流态化、多相反应工程及碳纳米管结构控制与批量生产技术。致力于多相反应器的新概念及新理论研究、研发用于煤及石油化工、纳米材料、清洁能源化学品、环境等领域的新型过程及设备。国家杰出青年基金(1997)获得者。绿色反应工程与工艺 北京市重点实验室主任。主持设计30余台多相反应 器投入商业运行,如2000吨/年纳米聚团流化床法碳纳米管、60万吨/年流化床甲醇制丙烯(在建)、3万吨/ 年流化床法甲醇制芳烃及10万吨/年流化床法苯胺,15 万吨/年下行床催化裂化等,研究成果获国家科技进步二等奖(2002 ,2008 年)、中石化科技进步一等奖(2001、2007 年)、教育部自然科学一等奖(2005,2015)、发明一等奖(2012)。在Science, Nature等杂志发表论文600 余篇,专著4部,SCI引用50000余次,H因子 97。是2016-2022科睿唯安材料领域高被引学者。任中国颗粒学会能源颗粒材料专业委员会主任,中国化工学会、石油学会理事和Carbon Future 期刊主编。




招聘信息

Recruitment Information


为了推动科研创新与技术发展,绿色航煤团队现面向公众招聘以下岗位:


(1)催化剂研发岗(1-2人)

(2)工艺过程开发岗(1-2人)

(3)多相反应器专业技术岗(1-2人)


应聘者请填写《鄂尔多斯实验室应聘登记表》,将登记表、个人简历、身份证、学历及学位证书、岗位任职证明及相关职业资格证书等证明材料发送至邮箱ordossysgy@163.com,邮件及登记表命名格式:姓名-应聘岗位-毕业院校-联系方式。薪酬结合岗位与学历一并考虑,特别优秀的申请者将有机会获得由清华大学与鄂尔多斯实验室共同提供的博士后联合培养机会。诚邀有志之士加入我们的团队,共同开拓绿色能源的未来!


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Carbon Future (《碳未来》)是由清华大学主办的国际英文综合性期刊,聚焦碳领域基础和应用研究,包括碳材料、催化、低碳能源、低碳化工等,致力于发表碳领域前沿进展,打造多学科融合的国际学术交流平台。该刊由清华大学魏飞教授担任主编,在清华大学出版社SciOpen平台出版,全文开放获取。

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Carbon Future — Call for papers

欢迎您投稿碳材料、催化、低碳能源、低碳化工领域的前沿原创研究、综述、观点、研究亮点、政策评论等。

所有论文一经录用,24小时内在线发表。

投稿网址:https://mc03.manuscriptcentral.com/cf 

投稿联系:carbonfuture@tup.tsinghua.edu.cn 

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欢迎添加小编微信,加入Carbon Future 交流群,共“碳”未来!



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