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文檔簡介

面向二氧化碳的光子科學建制化研究平臺CO2-orientedInstitutional

Research

Platformof

PhotonScience中國科學院上海高等研究院(SARI)科研單元布局

ResearchdepartmentsatShanghaiAdvanced

ResearchInstitute

(SARI)

基礎交叉研究中心Interdisciplinaryfundamentalresearches智能信息通信技術研究與發展中心Informationandcommunication上海同步輻射光源ShanghaiSynchrotron

Radiation

Facility

(SSRF)國家蛋白質科學研究設施(上海)Nationalcenterfor

proteinscience

SH低碳轉化科學與工程中心Lowcarbonscience

andengineering先進能源系統與裝備研究與發展中心Advancedenergysystemandequipment綠色化學工程技術研究與發展中心Greenchemistryandchemicalengineeringl目前實現大規模化石能源零排放利用的唯一選擇/low-

carbonuseoffossilenergy

on

a

large

scalel保持電力靈活性的主要手段/Maintaining

electricalflexibilityl鋼鐵

有色

化工

水泥等難

/Solution

for

steel,

non-ferrous,chemical,

cementandother

processindustriesl非化石能源

碳元素

”獲取

段/Sourceofnon-fossilcarbon

elementl與新能源等耦合的負排放技術是實現碳中和目標的托底

保障/Negative

emission

technologies

coupled

with

newenergy

arethe

underpinning

guaranteeforachievingcarbon

neutrality碳捕集利用與封存(CCUS)的概念和定位PositionandconceptofCarbonCapture,

Utilization

and

Storage

(CCUS)CCUS是指將CO2從碳利用過程與大氣中分離出來,直接加以利用或注入地層以實現CO2減排的工業過程

CCUS:SeparateCO2

withthefollowing

utilizationor

injection

into

geologicalformations碳中和愿景下CCUS的定位和作用Orientationand

roleofCCUSina

carbon

neutral

vision來源:中國CCUS年度報告(2021)

Source:Annual

reportofCCUS

inChina上海高研院在CCU領域已具備了顯著的學術和行業影響力SARI’sfocusandinfluence

in

CCU知名期刊論文400余篇Over400

High

Profile

Papers牽頭制定國家戰略NationalCCUS

Strategy基礎前沿系列突破Fundamental

Researches關鍵技術形成示范IndustrialDemonstrationAdsorption-based

CO2

capture

CO2

reforming

of

CH4

CO2

hydrogenation

to

MeOH

Microalgae-based

CO2

fixationCCUS

RoadmapChina

(2011)Tech.

Evaluationon

CCU

in

China

(2013)CCUS

RoadmapChina

(2019)Tech.

Evaluationon

CCUS

in

China

(2021)碳轉化CO2

Conversion高活性高選擇性催化劑(High

performing

catalysts)CO2高效定向活化機理(Effective

and

selective

activation)

多尺度碳利用過程機制(Multi-scale

mechanism)碳捕集CO2

Capture高性能捕集介質設計(High

performance

capture

agent)吸脫附原位動態機制(In-situ

dynamic

mechanism)低能耗捕集過程強化(Process

intensification)Research探索一代 研發O示范一代Improving

Reduction2nd

Gen.1st

Gen.3rd

Gen.LoweringCost2nd

Gen.3rd

Gen.1st

Gen.CCU發展趨勢:降能耗、

降成本FutureofCCU:

Energy

reduction,lowering

cost碳排放Carbon

Emission

一代TimeTimeCost上海光源目前有27線39站服務用戶,

10線20站在建,總投資近35億,是我國目前服務用戶最多、

成果

產出率最高的大科學裝置。

SSRF

provides

27

beamlines

and

39

end

stations

in

operation,

andthere

are

10beamlines

and

20

end

stations

under

construction,with

a

total

investment

ofnearly

3.5

billionYuan.The

largest

numberofusersandthehighest

output

rate

in

China.電子能量

Electron

Energy:3.5GeV周長

Perimeter:432m流強

BeamCurrent:260

0.5mA

(Topup)自然發射度Natural

Emittance:

3.9nm-rad上海光源:中能第三代同步輻射光源

SSRF:

Medium

EnergyThirdGenerationSynchrotron

Radiation

LightSource

3.5GeV電子儲存環總長432m150MeV電子

直線加速器27線39站運行全能量增強器

C=180m建制化團隊Institutional

Team上海高等研究院(SARI)大連化學物理研究所(DICP)上海應用物理研究所(SINAP)化學研究所(IC-CAS)面向二氧化碳的光子科學建制化研究平臺

CO2-oriented

Institutional

Research

Platform

of

Photon

Science

CCU領域基礎科學問題ScientificfundamentalsonCCUCCU領域的新理論、

新方法、

新過程Newtheory,

new

methods,

newprocessfor

CCUCCUS技術專屬研發平臺Dedicated

R&D

platformforCCU建制化研發能力

Institutional

ResearchCapability

立方級評價裝置

Nm3-scale

evaluation基于光子科學的先進表征平臺PhotonScience-basedAdvancedCharacterization

PlatformBL16B1超快成像線站高通量XRD/SAXSBL05U

ED-XASSpectroscopy)建制化研發能力

Institutional

ResearchCapability

l

能量色散X射線吸收譜(

Energy

dispersive

XAS)40000images/s

collectionGPU加速的重構算法,大幅度提升實驗效率和重構速度GPUacceleratedreconstructionalgorithms譜學計算解析局域結構/吸附基團信息XAFScalculationstodetermine

localstructure/adsorptiongroupl

吸收譜多重散射模擬(

Multiple-ScatteringCalculationsofXAFS

)基于軟X射線的精細電子結構Fineelectronicstructurebased

on

soft-X-RayProcessingsoftwarefortime-resolvedstructuraldynamicsl

X射線共振發射譜(

Resonant

X-ray

Emissionl

全場納米CT(

Full

Field

NanoCT)Traditionaltech.

Research

goalImprove

>

100%MaterialefficiencyTotal

energyconsumptionTotal

cost針對傳統碳捕集技術能耗高、

成本高的關鍵瓶頸,改變二氧化碳解吸過程熱力學驅動力,構建碳捕集新方法,大幅提升捕集時效并降低反應能耗,從而大幅降低碳捕集及利用綜合減排成本Developing

newcapture

process

usingalternativethermodynamicdrivingforceof

CO2,

so

as

to

increasethecaptureefficiencyandreducetheenergy

consumption

共反應物化學活性推動CO2捕集-轉化一體化Chemistrypotentialpromotesintegratedcapture&

conversion

吸附劑結構柔性推動“呼吸式”吸脫附Flexiblestructurepromotes

"breathing"adsorption&desorption

原位、實時、動態表征Insitu,real-time,dynamiccharacterization理論/方法創新推動技術創新Theoretical/methodologicalinnovationpromotestechnologicalinnovation

捕集率、轉化率均大于90%Capture

rate&conversion

rate

>90%

吸附容量大于12wt.%Adsorptioncapacity

>

12wt.%碳捕集關鍵技術瓶頸Keytechnical

bottlenecks能耗

Energyconsumption

>2.5GJ/tCO2

成本Cost

>260

RMB/tCO2混合MixLeanphaseCO2富相Rich

phase研究領域1:低成本碳捕集

Research

area

1:

Low-cost

CO2capture

Phasesplitter分相器Decrease

>20%Decrease

>

10%CO2貧相通過原位XAS技術深入研究了CO2捕集-甲烷化一體化過程在臨氧條件下的失活機理,構建了具備“犧牲位點”

的吸附-催化雙功能材料,支撐完成了千方級小試,碳捕集率和轉化率均達到90%以上In-depthinvestigationonthedeactivationunder

aerobic

conditionwas

investigated

using

in-

situXAS,and

new

materialswith

“sacrificial

sites”weredesigned,

basedwhich

1000-Nm3

scaletestingwascarriedout,achievingover90%CO2

captureand

conversion

ratio研究領域1:低成本碳捕集

Research

area

1:

Low-cost

CO2capture

95%CO2捕集CO2

capture93%CO2轉化CO2

conversion94%溫室效應降低GHG

reduction基于XAS的原位失活機制研究組件和數據拾取、分析方法In-situXASdatacollection,

processing,andinterpretationNi-based

DFMswithhighoxygen-resistanceforintegratedCO2

captureandconversion,Publicationpreparation臨氧條件快速失活

高耐氧穩定性運轉研究手段

MethodologySynchrotron

Structure-functionradiation

detection

relationshipInterfacecollaborationGas-solid/liquid-solidinterface針對CO2熱催化中表界面結構動態演變和電催化還原C2

+產物選擇性調控問題,發展高壓動態XAS及IR表征方法

和高靈敏液固界面探測的XAS及XPS表征方法,實現CO2熱催化還原精準調控和工業電流密度高選擇制C2新過程Aimingatthedynamicevolution

of

surface

interface

structure

and

the

selective

conversion,

high

pressure

dynamicXASandIRcharacterizationmethodsand

highlysensitive

liquid-solid

interface

detection

ofXAS

and

XPScharacterization

methodsweredevelopedtorealizeprecise

regulation

of

CO2

conversionand

particularly

new

processesofC2

productionwith

highselectivityofindustrialcurrent

density研究領域2:高選擇性CO2轉化

Research

area

2:

Selective

CO2

conversion

科學問題Question氣固/液固界面的動態演變Dynamicevolutionofgas-solid/liquid-solidinterfaceCO2活化及產物選擇性控制CO2

activation&productselectivecontrol科學目標ObjectiveCO2

reductionCO2

removalAstronautH2OelectrolysisCO2

reductionAir通過釕(

Ru)與氧化物的界面調控實現CO2定向還原生成CH4或CO,研制高性能Ru基CO2

甲烷化催化劑并

成功應用于我國空間站Directed

reductionofCO2

toCH4

orCOwasachieved

byinterfacial

regulationof

ruthenium

(Ru)

and

oxide.

The

high-performance

Ru-basedCO2

methanationcatalystwasdevelopedandsuccessfully

applied

to

the

Chinesespace

station二氧化碳還原組件在空間站核心倉穩定運行超過6個月TheCO2

reduction

moduleoperatedsteadilyinthe

station'score

module

for

more

than

6

monthsH.Xin,Q.

Fu*,XH

Bao*,J.Am.

Chem.

Soc.2022,

144,

11,4874研究領域2:高選擇性CO2轉化

Research

area

2:

Selective

CO2

conversion

揭示覆蓋度驅動的C2產物選擇性變化機制,實現安培級(

3.1A

cm-2

)電流密度CO2電催化還原制乙酸等C2

+產物,

乙酸的碳選擇性達到70%,CO單程轉化率達到75%The

selectivity

change

mechanism

ofC2

products

driven

by

coveragewas

revealed,

and

C2

+

products

such

as

aceticacidwere

produced

byCO2

electrocatalytic

reductionatampere-level

(3.1

A

cm-2)

current

density.

The

carbonselectivityofaceticacid

reached70%andthe

conversion

rate

of

CO

reached

75%研究領域2:高選擇性CO2轉化

Research

area

2:

Selective

CO2

conversion

P.

F.Wei,

D.

F.Gao,T.

F.

Liu,G.X.Wang,X.

H.

Bao,

et

al.,

Nature

Nanotechnology,

in

press.組裝出最高功率2.85千瓦的電解電堆Assembleanelectrolytic

reactorwiththe

highest

powerof2.85

kWC2產物乙烯和乙酸選擇性的精準調控Preciseselective

regulationofethylene/aceticacidproduction針對固體氧化物電解池高溫制氫材料界面活化機理、

輸運機制及反應過程等關鍵科學問題,發展同步輻射

原位衍射、

吸收和成像方法,建立國際先進的高溫電化學同步輻射原位研究平臺,解析界面結構演變與電

池性能衰減的關聯機制,研制高電流長壽命電解池,達到國際領先水平Focusingonthe

interfacialactivation

mechanism,transport

mechanism

and

reaction

process

of

high

temperature

H2

production

materials

in

solid

oxideelectrolyticcell,wedeveloped

in-situ

diffraction,

absorptionand

imaging

methodsofsynchrotron

radiation,establishedan

internationally

advanced

in-

situ

research

platform

for

high

temperature

electrochemical

synchrotron

radiation,

analyzed

the

correlation

mechanism

betweeninterfacestructureevolutionand

batteryperformance

attenuation,

and

developed

highcurrentandlong

lifeelectrolytic

cell研究領域3:高溫電解水制氫

Research

area

3:

High-temperature

H2O

electrolysis

PhasetransitionActivation

ElementDifferentTech.TemperatureMaterial

poisoning

InternationalHydrogenelectrode

reactioninterfaceLatticethermal

mismatchChemicalcompatibilityPore

structureParticlecoarseningCu

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