近日，西京学院电子信息学院西安市先进光电子材料与能源转换器件重点实验室、西京学院尾矿资源化与工程应用校级核心科研团队冯祥波副教授团队在能源化学领域国产旗舰刊物《能源化学》(Journal of Energy Chemistry)(中科院一区，IF=13.599)发表题为《低浓度甲烷催化燃烧的研究进展和主要挑战》（Progress and key challenges in catalytic combustion of lean methane）的综述论文。论文综述了近十年（引用文献495篇，论文长度2.2万余字）催化低浓度甲烷燃烧（LMC）技术在不同结构配置下的深度发展、面临的挑战和前景，重点从材料设计和反应器结构结合的角度对热量管理进行了深入探讨。目标是描述一个框架，将催化剂设计、反应器创新和系统优化之间的指导原则联系起来，激励开发用于高效利用低浓度甲烷的突破性燃烧技术。
冯祥波副教授首创性的提出为了最大限度地高效利用低浓度甲烷，如图1所示，未来可引入太阳能集热发电（CSP）技术，通过加强传热、取代平衡或加强单元的捕获和利用来提高工艺效率。CSP的集热特性和PCMs的蓄热优势可以充分结合。作为传热介质，低浓度甲烷气流给催化燃烧反应器带来热量。整体催化剂与固定床反应器相结合，可有效补偿低比表面积和高压降。CSP和蓄热型反应器的综合利用是最大限度地利用低品位能源和太阳能进行蓄热，通过热交换进一步转化为电能的完美途径。虽然甲烷排放不仅仅来自于通风空气甲烷，但这种新型储能方式可以为冶金、化工和能源行业提供一种热管理新思路，并将大大优化热储存催化剂与反应器系统集成技术研究的发展路径。
图1 多技术联合应用高效利用低浓度甲烷及相变蓄热材料的发展路径
西京学院冯祥波副教授为该论文的第一作者，西安交通大学何炽教授、昆明理工大学李孔斋教授为共同通讯作者，西京学院田少鹏副教授为共同作者，西京学院为第一完成单位。据悉，该论文是冯祥波副教授团队在能源高效利用、大气污染控制领域研究2022年取得的又一重要成果。2022年迄今，冯祥波副教授团队已在《燃料》（Fuel）(中科院一区，IF=8.035)等国际顶级刊物以西京学院为第一完成单位发表学术论文5篇，其中中科院一区论文3篇。近五年，先后在《应用催化B:环境》(Applied Catalysis B: Environmental)(中科院一区，IF=24.319)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)(中科院一区，IF=19.924)等能源环境领域顶级刊物发表学术论文20余篇，其中以西京学院为第一完成单位发表的论文2篇入选ESI高被引论文。
据悉，碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是我们对国际社会的庄严承诺，也是推动高质量发展的内在要求。2021年10月，《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》以及《2030年前碳达峰行动方案》，这两个重要文件的相继出台，共同构建了中国碳达峰、碳中和“1+N”政策体系的顶层设计，而重点领域和行业的配套政策也将围绕以上意见及方案陆续出台。“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式，加快降低碳排放步伐，有利于引导绿色技术创新，提高产业和经济全球竞争力。因此，传统化石能源的高效低耗利用不仅对减少碳排放有重要的现实意义，而且对全球能源的可持续发展具有深远的影响。
甲烷是仅次于CO2的第二大温室气体，对全球变暖的贡献率约为25%，其全球变暖潜能值是二氧化碳的23倍。尽管近年来二氧化碳排放量有所下降，但甲烷排放量却在快速增长（图2），这与2015年《巴黎协定》制定的气候变化目标背道而驰。大部分甲烷排放是由人类的生产活动造成的，如煤矿开采、石油和天然气生产、农业、垃圾填埋和生物质燃烧，其中煤炭开采和石油/天然气行业贡献最大。据统计，我国煤矿每年向大气排放的甲烷量达190亿m3，居世界第一，而其中通过煤矿乏风排入大气的甲烷约为130-170亿m3，与西气东输的120亿m3天然气量相当。煤矿乏风的利用主要有两种模式：一是将其作为助燃空气，在燃气轮机、内燃机中替代部分空气；二是将其作为主要燃料，进行热能利用。由于辅助燃料处理方法有处理风量小、减排有限和煤矿排风井附近需要有用风的工业设备等限制，难以进行大规模推广。而以煤矿乏风作为燃料，通过催化燃烧方式实现低品位燃料的高品位热能利用，可以综合温室气体减排和能源高效利用两方面的优势。
图2 过去20年温室气体排放强度（圆形）和未来10年预测排放强度（虚线）
