科创中国

要实现我国3060双碳目标，必须采取强有力的措施减少温室气体CO₂排放。CO₂减排技术主要有碳捕集封存和碳高值化转化利用技术两大类。虽然碳捕集和封存（CCS）技术已可实现大规模处理CO₂，但其处理系统庞大，能耗大，成本高，且存在泄漏风险，无法从根本上解决碳减排难题。而碳高值化转化利用技术将CO₂作为重要的资源，并将其转化为高值化学品同时实现固碳，对碳减排具有重要的现实意义和经济价值。CO₂-CH₄耦合利用技术（甲烷干重整）可是一种代表性的碳高值化转化利用技术。该技术将CO₂和CH₄进行耦合转化为合成气(H₂和CO)，进一步依托成熟的化工工艺可得到甲醇、乙醇、乙二醇、氢甲酰化产品等各类化工品，是实现碳减排的关键技术和现实选择。但自1888年开始研究以来，经历一个多世纪仍未能实现大规模工业化应用，迫切需要新技术、新工艺实现低能耗、高效率、经济可行的CO₂-CH₄耦合利用。

太阳能是世界上最丰富的清洁能源，太阳能聚光产热直接催化转化CO₂和CH₄制备合成气是解决CO₂-CH₄耦合利用能耗高的重要方式。聚光太阳能不仅为反应提供能量，光的引入还能激发催化剂产生热载流子，促进自由基的生成，从而加速反应物活化，实现低能耗CO₂-CH₄耦合利用。因此，太阳能聚光催化能突破热力学限制，实现传统热催化难以实现的低温(<500℃)催化CO₂-CH₄耦合利用。尽管太阳能聚光催化实现低能耗的CO₂-CH₄耦合利用，全球范围内至今尚无太阳能聚光催化CO₂-CH₄耦合利用工业化系统，其关键科学技术问题主要有以下两点：

1）CO₂-CH₄耦合反应过程复杂，催化剂易积碳失活，反应过程中间产物动态转化规律认识不清，难以实现产物的定向调控；

2）太阳能聚光催化CO₂-CH₄耦合利用系统集成仍属技术空白，利用单元及其与上下游供能单元、分离单元、循环单元等多单元系统间的集成优化尚处空白。

本成果建立太阳能聚光催化CO₂-CH₄耦合利用过程实时动态表征技术以及产物定向调控技术，明晰反应过程，设计高效、高稳定性催化剂构效关系高性能太阳能聚光催化剂。进一步构建清洁、高效、稳定的太阳能聚光催化CO₂-CH₄耦合利用系统，实现“供能-反应-分离-循环”CO₂-CH₄耦合利用制合成气系统集成，攻克太阳能聚光催化CO₂-CH₄耦合利用技术瓶颈，引领CO₂-CH₄耦合利用进步，促进我国CO₂-CH₄耦合利用走向工业化应用。

亮点1：创立多场耦合反应过程的高时空分辨现场原位表征技术创新 太阳能聚光催化CO2-CH4耦合利用过程复杂，且易积碳失活，深入认识该过程才能针对性地建立催化剂构效关系，指导高活性、高稳定性CO2-CH4耦合利用催化剂设计及制备。因此，针对反应过程，特别是在光热场同时存在的多场耦合下参与的反应中，创立的高时空分辨现场原位表征技术是本成果的创新之处。  亮点2：开发CO2-CH4耦合利用绿色新工艺 现有CO2-CH4耦合利用工艺能耗高、碳排放量大，不能从根本上解决CO2减排问题，虽然已有光热催化可以降低能耗，但催化剂易失活、效率低，将传统工艺变革为绿色的太阳能聚光催化CO2-CH4耦合过程，利用太阳能聚光产生的热能和光能，协同催化CO2-CH4转化为合成气。实现生产1吨合成气，吸收2吨CO2，产生显著的经济、生态和社会效益，促进我国CO2-CH4耦合利用走向实际应用，进而引领世界CO2-CH4耦合利用工业化发展具有重要的意义。 亮点3：CO2-CH4耦合利用技术的系统集成创新 现有太阳能光热催化CO2-CH4耦合利用主要聚焦新型催化剂研究，其从实验室迈向规模化应用仍难以满足稳定供光、稳定供电、清洁低碳化生产等要求。通过聚光光伏与储能技术联用，实现CO2-CH4耦合利用过程的电流稳定供给。在光源设计方面，通过采用复合抛物面聚光及模拟自然光技术，保证系统在工况条件下光源的稳定供给。同时，变压吸附、换热等其他关键设备集成，形成变革性CO2-CH4耦合技术的成套示范系统构建。系统优化从能流-物流匹配特性的角度出发，研究集成系统在高能效、低成本、低碳排放等多目标条件下的协同，以及系统特性最优化动态调控机制，并针对性的开发万方级工艺包。以上太阳能聚光催化CO2-CH4耦合利用系统集成和工艺包的开发设计，在国内外均属首次。 

在“双碳”目标的大背景下，脱碳经济、绿色的CO2-CH4耦合利用技术为有碳减排需求的生产企业提供整体解决方案，应用于天然气/页岩气行业、CO2排放企业（煤化工、发酵、水泥窑炉、沼气、电厂等）制取合成气，链接氢甲酰化、费托合成、羰基合成等技术生产化学品，实现CO2与甲烷高值利用，具有广阔的应用前景。

团队带头人周莹教授于2011年回国，入选四川省“百人计划”特聘专家，加入西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，结合平台在油气资源开发利用领域的优势特色以及自身的材料科学与同步辐射表征技术研究背景，围绕太阳能驱动的能源催化新材料开展研究工作。随着研究的深度和广度的增加，先后引进了黄泽皑博士，从事太阳能催化转化与氢能生产新材料的研究工作，以构建“太阳能-储能-氢能”零碳能源系统为目标，围绕太阳能聚光催化能源转化集成系统开展工作。 经过10年的发展，团队目前拥有核心成员包括国家百千万人才工程1人、教育部青年长江学者1人、四川省“千人计划”特聘专家4人，天府“万人计划”科技精英1人。主持国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项课题、国家自然科学基金、四川省重大科技专项、四川省杰出青年科学基金等省部级以上项目40余项；在Nat. Commun., Adv. Energy Mater., ACS Catal., Appl. Catal. B等国际著名期刊发表论文300余篇，其中高被引论文21篇；授权中国发明专利55项、美国发明专利1项；研究成果获得教育部自然科学奖二等奖、中国化工学会科学技术奖二等奖、四川省自然科学奖二等奖、中国石油和化工自动化行业科学技术奖(技术发明奖)一等奖等省部级科技奖励10余项；已有4项研究成果实现产业转化。团队先后入选天府峨眉创新团队、四川省科技创新研究团队、“石油与天然气工程”世界一流学科建设资助团队，建成了西南石油大学首个四川省国际科技合作基地。

本成果形成的低能耗、高活性、高稳定性CO2-CH4耦合利用催化剂和太阳能聚光催化反应系统，工业应用可产生显著的经济效益。通过对现有碳权年交易量的统计与现有保有量预估，整个CO2减排治理市场具有超过3900亿元的潜在市场容量。以CO2处理量10000方/小时工程为例，每天运行10小时，每年可转化利用3000万方CO2（约5.9万吨），可生产产值超过1亿元的化学品。 本成果研发应用CO2-CH4耦合制合成气催化剂和工艺技术，引领CO2-CH4耦合利用技术进步，促进我国CO2-CH4耦合利用走向工业应用，实现甲烷和二氧化碳两种温室气体化学利用，有效缓解日益严重的温室效应，对我国实现碳中和战略目标具有重大意义。同时，项目实施推动产学研用的有机结合，为相关领域培养大批研究型人才和应用技术人才。

随着国家政策的实施，二氧化碳减排需求量激增，工业过程及能源排放二氧化碳减排治理市场容量巨大，我们将主要面向化工、电力、冶金、石化、建材、造纸六大重点排放行业提供二氧化碳减排处理设备及催化材料。主要目标客户群体为二氧化碳减排需求企业，公司计划达成合作意向的潜在目标客户有中国华能有限公司、中国大唐公司、中国华电公司、中国宝武钢铁有限公司、武汉钢铁公司和中国首钢集团等重点排放企业。2021年7月16日碳排放权交易市场正式开放，待碳权交易体系完善，完成初步资本积累后，我们将自主减排二氧化碳，出售碳排放权。由于本项目现处于初期创业阶段，所筹资金主要用于研发生产、固定资产的购买，扩大市场影响力以及为后续产量的扩大打好基础。