颠覆性突破！太原理工大学团队成功攻克世界性难题

在山西这片煤炭资源丰富的土地上，煤矿开采一直是重要产业。但长期以来，煤矿井下瓦斯的处理，尤其是低浓度瓦斯的利用，一直是困扰业界的世界级难题。如今，这个难题被来自山西的科研团队成功攻克，他们的成果不仅为煤矿安全生产提供了保障，更为清洁能源的开发利用开辟了新路径。

瓦斯难题：能源与安全的双重挑战

瓦斯，主要成分是甲烷，在煤矿开采中从煤层逸出。它是一把双刃剑，一方面，当瓦斯在空气中的含量达到5% - 15%时，遇明火就会爆炸，严重威胁矿井安全；另一方面，瓦斯作为一种清洁能源，具有巨大的开发潜力。

在我国，不同浓度的煤层气大多已实现梯级利用，然而，浓度在2% - 8%之间的低浓度瓦斯却成为“弃儿”。由于缺乏有效的利用技术，每年有超百亿立方米的低浓度瓦斯被直接排放到大气中，这不仅造成了能源的极大浪费，还因其强大的温室效应（是二氧化碳的20倍），加剧了全球气候变暖。

山西团队十年磨一剑，开启技术攻关之路

2009年，一次学术会议上披露的低浓度瓦斯排放数据，让怀柔实验室山西研究院副院长、太原理工大学教授李晋平深感震撼。会议结束后，他迅速组建团队，开启了低浓度瓦斯提质利用的研究。

团队初期面临的难题是寻找一种高效的“分子捕手”材料。传统的活性炭吸附剂在矿井高湿环境下，由于缺乏疏水性，会吸附大量水分子，导致甲烷吸附效率低下。而太原理工大学在沸石材料领域的研究积累，为团队提供了新思路。

沸石材料是一种晶态硅铝酸盐，自20世纪80年代起，太原理工大学就对其展开研究。这种材料具有离子交换性、吸附分离性及可逆脱水性等优异性能，在多个领域被用作分子筛。团队成员杨江峰介绍：“沸石分子筛拥有独特的架状晶体结构，其晶格中的四面体分子相互连接，形成大量内部孔穴，具备过滤和吸附特性，我们认为它可能是理想的‘分子捕手’。”

从材料筛选到技术突破，攻克重重难关

确定以沸石为研究方向后，团队面临诸多挑战。天然沸石孔径大小不一，难以高效捕获甲烷分子。要让沸石成为低浓度瓦斯的“克星”，就必须对其进行改性，精确调控孔径至接近甲烷分子的动力学直径0.5纳米，并增强疏水性。

从国际分子筛协会数据库收录的200余种分子筛结构中挑选合适结构，犹如大海捞针。团队借助计算机软件模拟和高倍显微镜观察，对每种候选结构的孔径尺寸、几何构型以及表面化学性质进行系统评估与计算。经过多年研究和海量筛选，2016年，团队成功识别出一类以硅、铝元素为骨架构建单元的分子筛结构。

此时，杨江峰提出新见解：人工沸石分子筛的核心在于构建与甲烷分子几何构型精密匹配的孔道结构。团队将目标设定为把沸石孔道有效窗口直径精确调控至约0.5纳米，同时优化合成配方，提高骨架硅铝比，增强材料整体疏水特性。

在亚纳米尺度上“雕刻”孔道尺寸，对技术精度要求极高，任何细微偏差都可能导致失败。经过25000余次艰难的配方与工艺优化试验，2019年，团队成功研发出具备“超疏水”特性的硅铝基人工沸石分子筛。

然而，新问题接踵而至。硅铝基人工沸石分子筛在实际应用中呈粉末形态，存在气体扩散阻力，影响应用效能。关键时刻，李晋平提出将粉末制备为小晶粒沸石，增大外比表面积，提升瓦斯在沸石中的扩散速率。

在尝试将人工沸石粉末作为“晶种”加入合成溶液时，晶种意外解聚为更基础的构筑单元。但团队惊喜地发现，这些分散单元重新结晶后，形成了尺寸均一、约5纳米的新颗粒，并自发团聚成约500纳米、形似红细胞状的聚集体。这种独特结构不仅继承了原始分子筛对小分子的优异筛分能力，还在聚集体内部颗粒间形成了自连“通道”，极大提升了瓦斯分子的扩散速率与吸附动力学性能。

经过多轮迭代优化，团队最终制备出颗粒状、具有“微孔—介孔—大孔”多级孔道结构的硅铝基人工沸石，甲烷吸附率高达80%。

技术成果转化，推动能源产业变革

2023年，这项历经十余年研发的成果成功应用于全国首个“移动撬装式低浓度煤层气提浓装置示范工程”。该吸附剂对低浓度煤层气的提浓效果远超市面产品，且在含湿工况条件下分离富集性能稳定，非常适用于中小规模煤矿企业低浓度煤层气的提浓利用。

中北大学教授刘有智评价：“加快煤层气的开发利用是推进能源生产和消费革命的关键一环，也是保障国家能源安全的重要支撑力量。李晋平团队的成果，填补了2% - 8%超低浓度瓦斯规模化利用的全球空白，构建了全域煤层气高效梯级利用的完整技术链。”

李晋平表示，未来团队将加快技术推广和创新探索脚步，为保障国家能源安全、推动煤矿绿色低碳转型提供强有力的科技支撑。

这项来自山西的科研成果，不仅彰显了山西在能源领域的科研实力，更为全球能源产业的可持续发展贡献了宝贵的“山西智慧”和“中国方案”，有望引领能源革命迈向新的高度 。