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在煤礦百米深的井下，空氣中游離的瓦斯（又稱煤層氣）如同一匹難以馴服的“烈馬”：既是礦井安全的“頭號大敵”，又屬清潔能源戰(zhàn)略資源。

如何將“烈馬”馴化為“良駒”？

5月底，在中國科學(xué)院大氣物理研究所等單位主辦的專業(yè)研討會上，懷柔實驗室山西研究院副院長、太原理工大學(xué)教授李晉平介紹，經(jīng)十余年攻關(guān)，其團隊研發(fā)出人工沸石分子篩技術(shù)。這一技術(shù)實現(xiàn)了易散逸、難捕獲甲烷的有效富集提濃，并將其轉(zhuǎn)化為可發(fā)電的清潔能源。

“這一技術(shù)突破，解決了煤礦開采過程中濃度為2%—8%的瓦斯利用世界性難題，有望為低濃度瓦斯高效利用提供開創(chuàng)性技術(shù)方案?！崩顣x平說。

尋覓最佳“分子捕手”

瓦斯是賦存在煤層中以甲烷為主的烴類氣體。當空氣中瓦斯含量達到5%—15%時，遇到一丁點兒火星就會爆炸。

處理瓦斯，煤礦企業(yè)一般面臨兩種選擇：通風抽放，或是直接利用。

目前，不同濃度的煤層氣在我國大都可實現(xiàn)梯級利用，唯獨濃度在2%—8%之間的低濃度瓦斯，因缺乏成熟的直接利用技術(shù)，往往只能隨煤炭開采排放至空氣中。李晉平團隊研發(fā)的硅鋁基人造沸石吸附劑，“盯”上的就是這一部分瓦斯。

時間回到2009年，當時還是博士研究生的楊江峰隨李晉平參加一個學(xué)術(shù)會議時了解到，我國每年有超過百億立方米的低濃度瓦斯被直接排放到大氣，其溫室效應(yīng)強度是二氧化碳的20倍，這些無法有效利用的甲烷，實為被浪費的寶貴能源。

會議結(jié)束，李晉平就開始建立團隊，啟動了低濃度瓦斯提質(zhì)利用的研究。

初期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)活性炭吸附劑因缺乏疏水性，在礦井高濕環(huán)境中，含水瓦斯會使活性炭同步吸附大量水分子，導(dǎo)致甲烷吸附效率低下。于是，尋找性能更優(yōu)的“分子捕手”材料成了首要任務(wù)。

自20世紀80年代起，太原理工大學(xué)在業(yè)內(nèi)便開啟了一項特色研究領(lǐng)域——沸石材料。該材料憑借離子交換性、吸附分離性及可逆脫水性等優(yōu)異性能，在氣體分離、石油凈化及工業(yè)污染處理等領(lǐng)域被廣泛用作分子篩。

“沸石分子篩，是具有分子‘篩分’作用的晶態(tài)硅鋁酸鹽，擁有獨特的架狀晶體結(jié)構(gòu)。”楊江峰解釋道，在其晶格中，四面體分子如同穩(wěn)固框架相互連接，形成了大量內(nèi)部孔穴，因而具有過濾和吸附的特性。

“我們隱約感到，沸石正是我們在尋找的理想‘分子捕手’材料?！比缃褚咽翘砉ご髮W(xué)教授的楊江峰回憶說。

雕琢甲烷專屬“房間”

在確定了材料的研究方向之后，真正的挑戰(zhàn)才剛剛開始。

天然沸石孔徑大小不一，如同網(wǎng)眼疏漏的漁網(wǎng)。氫氦等小分子氣體可輕易穿過，而甲烷這樣的大分子也難以被高效捕獲。

“在1立方微米的沸石材料上，存在上百萬個孔穴。而這些孔道和孔穴的大小及形狀，正是決定其篩選分子能力的關(guān)鍵因素?！崩顣x平團隊嘗試對沸石進行改性：精確調(diào)控孔徑，使其接近甲烷分子的動力學(xué)直徑——0.5納米，同時增強疏水性，以確保在礦井潮濕環(huán)境下仍具備高效吸附能力。

然而，在啟動上述步驟之前，團隊還面臨著一個艱巨任務(wù)：從國際分子篩協(xié)會數(shù)據(jù)庫收錄的200余種分子篩結(jié)構(gòu)中，挑選出一個合適的結(jié)構(gòu)，然后進行對照調(diào)整和優(yōu)化。由于此前尚無人工沸石應(yīng)用于低濃度瓦斯提質(zhì)的先例，這一過程無異于大海撈針。

團隊從扎實的基礎(chǔ)研究起步。他們借助計算機軟件模擬，并利用高倍顯微鏡對每種候選結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸、幾何構(gòu)型以及表面化學(xué)性質(zhì)，進行系統(tǒng)評估與計算。

經(jīng)過持續(xù)研究及海量篩選，團隊于2016年成功識別出一類以硅、鋁元素為骨架構(gòu)建單元的分子篩結(jié)構(gòu)。

此時，楊江峰提出了新的見解：傳統(tǒng)吸附劑依賴表面靜電作用力，人工沸石分子篩的核心則在于構(gòu)建與甲烷分子幾何構(gòu)型精密匹配的孔道結(jié)構(gòu)。團隊目標設(shè)定為：將沸石孔道有效窗口直徑精確調(diào)控至約0.5納米。此外，通過優(yōu)化合成配方，提高骨架硅鋁比，顯著增強材料整體疏水特性。

在亞納米尺度上“雕刻”孔道尺寸，猶如在鋼絲上舞蹈，任何細微偏差都關(guān)乎成敗?！肮柙优c鋁原子作為分子篩骨架‘基石’，其比例直接影響吸附劑性能。如同烹飪，原料配比決定最終風味?！睏罱灞扔鞯?。

歷經(jīng)25000余次艱難配方與工藝優(yōu)化試驗，該團隊于2019年成功研發(fā)出具備“超疏水”特性的硅鋁基人工沸石分子篩。

構(gòu)筑氣體高效通行“路網(wǎng)”

硅鋁基人工沸石分子篩問世后，研究團隊在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，其粉末形態(tài)在吸附過程中存在氣體擴散阻力，影響實際應(yīng)用效能。

關(guān)鍵時刻，李晉平提出了關(guān)鍵思路：將粉末制備為小晶粒沸石，通過增大外比表面積，提升瓦斯在沸石中的擴散速率，為氣體擴散開辟更多通道。

于是，團隊將優(yōu)中選優(yōu)、結(jié)構(gòu)完美的人工沸石粉末作為“晶種”加入合成溶液，期望“晶種”能在溶液中生長形成顆粒。

然而，在特定反應(yīng)條件下，晶種不僅沒有生長，反而發(fā)生了解聚——分解為更基礎(chǔ)的構(gòu)筑單元。但令人驚喜的是，這些分散的單元隨后重新結(jié)晶，快速生長出尺寸均一、約5納米的新顆粒，并最終自發(fā)團聚形成了約500納米、形似紅細胞狀的聚集體。

團隊發(fā)現(xiàn)，這種獨特的結(jié)構(gòu)不僅完美繼承了原始分子篩對小分子的優(yōu)異篩分能力，同時，在聚集體內(nèi)部顆粒間形成了尺寸為數(shù)十至數(shù)百納米的自連“通道”。

李晉平打了個比方說：“這就如同在一棟原本僅有密集小房間的建筑中，巧妙開辟了連接各層的‘樓道’和寬敞的‘出入大廳’，構(gòu)建起氣體高效通行的‘路網(wǎng)’，極大提升了瓦斯分子的擴散速率與吸附動力學(xué)性能?！?

經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化，團隊最終成功制備出顆粒狀、具有“微孔—介孔—大孔”多級孔道結(jié)構(gòu)的硅鋁基人工沸石。該吸附劑甲烷吸附率高達80%。2023年，這項成果應(yīng)用于全國首個“移動撬裝式低濃度煤層氣提濃裝置示范工程”。

“該吸附劑非常適用于中小規(guī)模煤礦企業(yè)低濃度煤層氣的提濃利用。”中北大學(xué)教授劉有智評價道，加快煤層氣的開發(fā)利用是推進能源生產(chǎn)和消費革命的關(guān)鍵一環(huán)，也是保障國家能源安全的重要支撐力量。

李晉平表示，目前團隊已填補了2%—8%超低濃度瓦斯規(guī)?；玫娜蚩瞻?，構(gòu)建了全域煤層氣高效梯級利用的完整技術(shù)鏈。展望未來，李晉平說：“我們將加快煤層氣開發(fā)利用，加快技術(shù)推廣和創(chuàng)新探索腳步，為保障國家能源安全、推動煤礦綠色低碳轉(zhuǎn)型提供強有力的科技支撐?！?

（科技日報記者 韓榮）