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文档简介

面向二氧化碳的光子科学建制化研究平台CO2-orientedInstitutional

Research

Platformof

PhotonScience中国科学院上海高等研究院(SARI)科研单元布局

ResearchdepartmentsatShanghaiAdvanced

ResearchInstitute

(SARI)

基础交叉研究中心Interdisciplinaryfundamentalresearches智能信息通信技术研究与发展中心Informationandcommunication上海同步辐射光源ShanghaiSynchrotron

Radiation

Facility

(SSRF)国家蛋白质科学研究设施(上海)Nationalcenterfor

proteinscience

SH低碳转化科学与工程中心Lowcarbonscience

andengineering先进能源系统与装备研究与发展中心Advancedenergysystemandequipment绿色化学工程技术研究与发展中心Greenchemistryandchemicalengineeringl目前实现大规模化石能源零排放利用的唯一选择/low-

carbonuseoffossilenergy

on

a

large

scalel保持电力灵活性的主要手段/Maintaining

electricalflexibilityl钢铁

有色

化工

水泥等难

/Solution

for

steel,

non-ferrous,chemical,

cementandother

processindustriesl非化石能源

碳元素

”获取

段/Sourceofnon-fossilcarbon

elementl与新能源等耦合的负排放技术是实现碳中和目标的托底

保障/Negative

emission

technologies

coupled

with

newenergy

arethe

underpinning

guaranteeforachievingcarbon

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

Utilization

and

Storage

(CCUS)CCUS是指将CO2从碳利用过程与大气中分离出来,直接加以利用或注入地层以实现CO2减排的工业过程

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来源:中国CCUS年度报告(2021)

Source:Annual

reportofCCUS

inChina上海高研院在CCU领域已具备了显著的学术和行业影响力SARI’sfocusandinfluence

in

CCU知名期刊论文400余篇Over400

High

Profile

Papers牵头制定国家战略NationalCCUS

Strategy基础前沿系列突破Fundamental

Researches关键技术形成示范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)碳转化CO2

Conversion高活性高选择性催化剂(High

performing

catalysts)CO2高效定向活化机理(Effective

and

selective

activation)

多尺度碳利用过程机制(Multi-scale

mechanism)碳捕集CO2

Capture高性能捕集介质设计(High

performance

capture

agent)吸脱附原位动态机制(In-situ

dynamic

mechanism)低能耗捕集过程强化(Process

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

Reduction2nd

Gen.1st

Gen.3rd

Gen.LoweringCost2nd

Gen.3rd

Gen.1st

Gen.CCU发展趋势: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线39站服务用户,

10线20站在建,总投资近35亿,是我国目前服务用户最多、

成果

产出率最高的大科学装置。

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.电子能量

Electron

Energy:3.5GeV周长

Perimeter:432m流强

BeamCurrent:260

0.5mA

(Topup)自然发射度Natural

Emittance:

3.9nm-rad上海光源:中能第三代同步辐射光源

SSRF:

Medium

EnergyThirdGenerationSynchrotron

Radiation

LightSource

3.5GeV电子储存环总长432m150MeV电子

直线加速器27线39站运行全能量增强器

C=180m建制化团队Institutional

Team上海高等研究院(SARI)大连化学物理研究所(DICP)上海应用物理研究所(SINAP)化学研究所(IC-CAS)面向二氧化碳的光子科学建制化研究平台

CO2-oriented

Institutional

Research

Platform

of

Photon

Science

CCU领域基础科学问题ScientificfundamentalsonCCUCCU领域的新理论、

新方法、

新过程Newtheory,

new

methods,

newprocessfor

CCUCCUS技术专属研发平台Dedicated

R&D

platformforCCU建制化研发能力

Institutional

ResearchCapability

立方级评价装置

Nm3-scale

evaluation基于光子科学的先进表征平台PhotonScience-basedAdvancedCharacterization

PlatformBL16B1超快成像线站高通量XRD/SAXSBL05U

ED-XASSpectroscopy)建制化研发能力

Institutional

ResearchCapability

l

能量色散X射线吸收谱(

Energy

dispersive

XAS)40000images/s

collectionGPU加速的重构算法,大幅度提升实验效率和重构速度GPUacceleratedreconstructionalgorithms谱学计算解析局域结构/吸附基团信息XAFScalculationstodetermine

localstructure/adsorptiongroupl

吸收谱多重散射模拟(

Multiple-ScatteringCalculationsofXAFS

)基于软X射线的精细电子结构Fineelectronicstructurebased

on

soft-X-RayProcessingsoftwarefortime-resolvedstructuraldynamicsl

X射线共振发射谱(

Resonant

X-ray

Emissionl

全场纳米CT(

Full

Field

NanoCT)Traditionaltech.

Research

goalImprove

>

100%MaterialefficiencyTotal

energyconsumptionTotal

cost针对传统碳捕集技术能耗高、

成本高的关键瓶颈,改变二氧化碳解吸过程热力学驱动力,构建碳捕集新方法,大幅提升捕集时效并降低反应能耗,从而大幅降低碳捕集及利用综合减排成本Developing

newcapture

process

usingalternativethermodynamicdrivingforceof

CO2,

so

as

to

increasethecaptureefficiencyandreducetheenergy

consumption

共反应物化学活性推动CO2捕集-转化一体化Chemistrypotentialpromotesintegratedcapture&

conversion

吸附剂结构柔性推动“呼吸式”吸脱附Flexiblestructurepromotes

"breathing"adsorption&desorption

原位、实时、动态表征Insitu,real-time,dynamiccharacterization理论/方法创新推动技术创新Theoretical/methodologicalinnovationpromotestechnologicalinnovation

捕集率、转化率均大于90%Capture

rate&conversion

rate

>90%

吸附容量大于12wt.%Adsorptioncapacity

>

12wt.%碳捕集关键技术瓶颈Keytechnical

bottlenecks能耗

Energyconsumption

>2.5GJ/tCO2

成本Cost

>260

RMB/tCO2混合MixLeanphaseCO2富相Rich

phase研究领域1:低成本碳捕集

Research

area

1:

Low-cost

CO2capture

Phasesplitter分相器Decrease

>20%Decrease

>

10%CO2贫相通过原位XAS技术深入研究了CO2捕集-甲烷化一体化过程在临氧条件下的失活机理,构建了具备“牺牲位点”

的吸附-催化双功能材料,支撑完成了千方级小试,碳捕集率和转化率均达到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研究领域1:低成本碳捕集

Research

area

1:

Low-cost

CO2capture

95%CO2捕集CO2

capture93%CO2转化CO2

conversion94%温室效应降低GHG

reduction基于XAS的原位失活机制研究组件和数据拾取、分析方法In-situXASdatacollection,

processing,andinterpretationNi-based

DFMswithhighoxygen-resistanceforintegratedCO2

captureandconversion,Publicationpreparation临氧条件快速失活

高耐氧稳定性运转研究手段

MethodologySynchrotron

Structure-functionradiation

detection

relationshipInterfacecollaborationGas-solid/liquid-solidinterface针对CO2热催化中表界面结构动态演变和电催化还原C2

+产物选择性调控问题,发展高压动态XAS及IR表征方法

和高灵敏液固界面探测的XAS及XPS表征方法,实现CO2热催化还原精准调控和工业电流密度高选择制C2新过程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研究领域2:高选择性CO2转化

Research

area

2:

Selective

CO2

conversion

科学问题Question气固/液固界面的动态演变Dynamicevolutionofgas-solid/liquid-solidinterfaceCO2活化及产物选择性控制CO2

activation&productselectivecontrol科学目标ObjectiveCO2

reductionCO2

removalAstronautH2OelectrolysisCO2

reductionAir通过钌(

Ru)与氧化物的界面调控实现CO2定向还原生成CH4或CO,研制高性能Ru基CO2

甲烷化催化剂并

成功应用于我国空间站Directed

reductionofCO2

toCH4

orCOwasachieved

byinterfacial

regulationof

ruthenium

(Ru)

and

oxide.

The

high-performance

Ru-basedCO2

methanationcatalystwasdevelopedandsuccessfully

applied

to

the

Chinesespace

station二氧化碳还原组件在空间站核心仓稳定运行超过6个月TheCO2

reduction

moduleoperatedsteadilyinthe

station'score

module

for

more

than

6

monthsH.Xin,Q.

Fu*,XH

Bao*,J.Am.

Chem.

Soc.2022,

144,

11,4874研究领域2:高选择性CO2转化

Research

area

2:

Selective

CO2

conversion

揭示覆盖度驱动的C2产物选择性变化机制,实现安培级(

3.1A

cm-2

)电流密度CO2电催化还原制乙酸等C2

+产物,

乙酸的碳选择性达到70%,CO单程转化率达到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%研究领域2:高选择性CO2转化

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.组装出最高功率2.85千瓦的电解电堆Assembleanelectrolytic

reactorwiththe

highest

powerof2.85

kWC2产物乙烯和乙酸选择性的精准调控Preciseselective

regulationofethylene/aceticacidproduction针对固体氧化物电解池高温制氢材料界面活化机理、

输运机制及反应过程等关键科学问题,发展同步辐射

原位衍射、

吸收和成像方法,建立国际先进的高温电化学同步辐射原位研究平台,解析界面结构演变与电

池性能衰减的关联机制,研制高电流长寿命电解池,达到国际领先水平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研究领域3:高温电解水制氢

Research

area

3:

High-temperature

H2O

electrolysis

PhasetransitionActivation

ElementDifferentTech.TemperatureMaterial

poisoning

InternationalHydrogenelectrode

reactioninterfaceLatticethermal

mismatchChemicalcompatibilityPore

structureParticlecoarseningCu

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