绿色航煤，是指从非化石资源而来的C_8~15液体烃类燃料，即可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）。航空燃料以C-C与C-H化学键为储能方式，其能量密度是商用锂离子电池的80倍，能量密度的巨大鸿沟使得航空领域难以迅速实现电动化，因此SAF成为世界航空工业净零排放的主要路线。截至2020年底，全球共有65个国家实施了SAF的强制掺混政策，至2027年，国际民航组织的碳减排抵消机制（CORSIA），将进入全面强制实施阶段。欧盟（EU）《可再生能源指令》规定，SAF掺入比例在2030年不得低于5%，2050年不得低于70%，其中通过二氧化碳捕集生产的电制燃料（eFuel）至2050年掺入比例不得低于35%；美国《通胀削减法案》就SAF进行税收减免，旨在2050年实现航空燃料100%使用SAF替代化石燃料。如图1所示，航空工业的“绿色屏障”使得SAF售价是石油基航空燃料的4倍，促使SAF成为能源领域中的“圣杯”，是绿色能源可盈利过程的先行范例。

   

图1. 燃料价格和其对应的H/(C+O)关系

清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队在围绕“SAF的柔性合成”从分子层面的CO₂催化转化、装备层面的高压多相流动调控以及系统层面的反应-传递工艺集成进行系统研究。所开发的“CO₂加氢制可持续航空燃料（CO₂ to SAF, CO2AF^TM）”技术，是以CO₂作为碳源，结合可再生风光发电/电解水得到的绿氢，生产高能量密度的液体航空燃料。

                           

图2. 世界光伏产业的学习曲线（产能-成本曲线）；光伏与燃煤发电单位kWh的CO₂排放对比；可再生能源的供给特征与减碳能力；可再生风光资源发展的预测；可再生能源领域不同国家的专利

                           

图3. 电制燃料过程（PtL）的技术路线；绿氢的生产成本预测

如图2所示，我国在可再生风光能源领域的发展速度位居全球首位，是CO2AF^TM技术发展的大背景。CO2AF^TM不仅能有效缓解全球航空业的碳减排压力，还能解决可再生电力与绿氢的储运消纳问题，成为电制燃料（Power to Liquids, PtL）的核心技术路径之一（图3）。清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队以“Fueling the future: Innovating the path to carbon-neutral skies with CO2-to-aviation fuel”为题在Carbon Future《碳未来》杂志封面文章中总结了近年来将CO₂转化为可持续航空燃料的创新途径，基于技术经济分析探讨了不同工艺的减碳、效率与经济性，展望了未来PtL技术发展方向。

                           

图4. Carbon Future封面论文：未来航空工业净零排放的技术展望

以风光为源头的可再生能源供给具有显著波动性，原料的波动势必要求CO₂加氢制SAF在宽温度、压力与空速操作域实现柔性应对。这在分子层面对催化体系设计提出要求：保持CO₂深度加氢能力的同时防止不可控C-C偶联；在高温下保持催化体系的长寿命。清华大学/鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队创新设计了钙钛矿-分子筛耦合催化体系，在高压CO₂加氢条件下获得了超60%的CO₂转化率和超85%的SAF选择性，并通过了1000h的寿命测试；相关工作以“Upgrading CO₂ to sustainable aromatics via perovskite-mediated tandem catalysis”为题在Nature Communications《自然·通讯》上在线发表。钙钛矿氧化物的通式为ABO₃，具有角共享的[BO₆]八面体骨架，A位La离子在钙钛矿[FeO₆]结构中起到支柱作用，即保留了Fe系催化剂的强劲加氢能力，同时又有效抑制了渗碳过程中铁的迁移。

                           

图5. Nature Communications论文：基于钙钛矿-分子筛耦合催化体系实现可再生航煤的柔性合成

                                 

图6. 钙钛矿-分子筛耦合催化体系上CO₂加氢制航空燃料的性能

目前，围绕兼具定向合成与深度加氢的催化剂研发以及高压加氢多相流反应器设计，魏飞-张晨曦团队已完成了CO₂加氢绿色转化技术的百吨级中试验证；2022年CO2AF^TM技术完成清华大学技术成果转移，成立中清新能源科技发展（海南）有限公司，致力于世界航运工业的低碳核心技术，入选中关村论坛；2022年5月在内蒙古鄂尔多斯举行了世界首套万吨级CO₂加氢工业示范项目，为工艺技术可靠性奠定基础；2023年12月在黑龙江齐齐哈尔启动世界首套绿色航煤合成工业示范，该示范面向生物质CO₂和可再生绿氢为原料，有助于实现航空飞行净零排放与高端绿色燃料合成的技术突破。

                           

图7. 世界首套万吨级CO2AF^TM工业示范项目的启动仪式

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招聘信息

为了推动科研创新与技术发展，鄂尔多斯实验室魏飞-张晨曦团队现面向公众招聘以下岗位：

（1）催化剂研发岗（1-2人）；

（2）工艺过程开发岗（1-2人）；

（3）多相反应器专业技术岗（1-2人）。

以上岗位要求硕士及以上学历，应聘者请填写《鄂尔多斯实验室应聘登记表》（见文末链接），将登记表、个人简历、身份证、学历及学位证书、岗位任职证明及相关职业资格证书等证明材料发送至邮箱ordossysgy@163.com，邮件及登记表命名格式：姓名－应聘岗位－毕业院校－联系方式。

薪酬结合岗位与学历一并考虑，特别优秀的申请者将有机会获得由清华大学与鄂尔多斯实验室共同提供的博士后联合培养机会。诚邀有志之士加入我们的团队，共同开拓绿色能源的未来！

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The International Symposium on Carbon Future (CF2024)于2024年8月15-18日在鄂尔多斯召开，由中国颗粒学会(CSP)、鄂尔多斯实验室和《碳未来》杂志共同主办，我们在盛夏的鄂尔多斯欢迎您！