在山西這片煤炭資源豐富的土地上，煤礦開采一直是重要產業。但長期以來，煤礦井下瓦斯的處理，尤其是低濃度瓦斯的利用，一直是困擾業界的世界級難題。如今，這個難題被來自山西的科研團隊成功攻克，他們的成果不僅為煤礦安全生產提供了保障，更為清潔能源的開發利用開辟了新路徑。

瓦斯難題：能源與安全的雙重挑戰

瓦斯，主要成分是甲烷，在煤礦開采中從煤層逸出。它是一把雙刃劍，一方面，當瓦斯在空氣中的含量達到5% - 15%時，遇明火就會爆炸，嚴重威脅礦井安全；另一方面，瓦斯作為一種清潔能源，具有巨大的開發潛力。

在我國，不同濃度的煤層氣大多已實現梯級利用，然而，濃度在2% - 8%之間的低濃度瓦斯卻成為“棄兒”。由于缺乏有效的利用技術，每年有超百億立方米的低濃度瓦斯被直接排放到大氣中，這不僅造成了能源的極大浪費，還因其強大的溫室效應（是二氧化碳的20倍），加劇了全球氣候變暖。

山西團隊十年磨一劍，開啟技術攻關之路

2009年，一次學術會議上披露的低濃度瓦斯排放數據，讓懷柔實驗室山西研究院副院長、太原理工大學教授李晉平深感震撼。會議結束后，他迅速組建團隊，開啟了低濃度瓦斯提質利用的研究。

團隊初期面臨的難題是尋找一種高效的“分子捕手”材料。傳統的活性炭吸附劑在礦井高濕環境下，由于缺乏疏水性，會吸附大量水分子，導致甲烷吸附效率低下。而太原理工大學在沸石材料領域的研究積累，為團隊提供了新思路。

沸石材料是一種晶態硅鋁酸鹽，自20世紀80年代起，太原理工大學就對其展開研究。這種材料具有離子交換性、吸附分離性及可逆脫水性等優異性能，在多個領域被用作分子篩。團隊成員楊江峰介紹：“沸石分子篩擁有獨特的架狀晶體結構，其晶格中的四面體分子相互連接，形成大量內部孔穴，具備過濾和吸附特性，我們認為它可能是理想的‘分子捕手’。”

從材料篩選到技術突破，攻克重重難關

確定以沸石為研究方向后，團隊面臨諸多挑戰。天然沸石孔徑大小不一，難以高效捕獲甲烷分子。要讓沸石成為低濃度瓦斯的“克星”，就必須對其進行改性，精確調控孔徑至接近甲烷分子的動力學直徑0.5納米，并增強疏水性。

從國際分子篩協會數據庫收錄的200余種分子篩結構中挑選合適結構，猶如大海撈針。團隊借助計算機軟件模擬和高倍顯微鏡觀察，對每種候選結構的孔徑尺寸、幾何構型以及表面化學性質進行系統評估與計算。經過多年研究和海量篩選，2016年，團隊成功識別出一類以硅、鋁元素為骨架構建單元的分子篩結構。

此時，楊江峰提出新見解：人工沸石分子篩的核心在于構建與甲烷分子幾何構型精密匹配的孔道結構。團隊將目標設定為把沸石孔道有效窗口直徑精確調控至約0.5納米，同時優化合成配方，提高骨架硅鋁比，增強材料整體疏水特性。

在亞納米尺度上“雕刻”孔道尺寸，對技術精度要求極高，任何細微偏差都可能導致失敗。經過25000余次艱難的配方與工藝優化試驗，2019年，團隊成功研發出具備“超疏水”特性的硅鋁基人工沸石分子篩。

然而，新問題接踵而至。硅鋁基人工沸石分子篩在實際應用中呈粉末形態，存在氣體擴散阻力，影響應用效能。關鍵時刻，李晉平提出將粉末制備為小晶粒沸石，增大外比表面積，提升瓦斯在沸石中的擴散速率。

在嘗試將人工沸石粉末作為“晶種”加入合成溶液時，晶種意外解聚為更基礎的構筑單元。但團隊驚喜地發現，這些分散單元重新結晶后，形成了尺寸均一、約5納米的新顆粒，并自發團聚成約500納米、形似紅細胞狀的聚集體。這種獨特結構不僅繼承了原始分子篩對小分子的優異篩分能力，還在聚集體內部顆粒間形成了自連“通道”，極大提升了瓦斯分子的擴散速率與吸附動力學性能。

經過多輪迭代優化，團隊最終制備出顆粒狀、具有“微孔—介孔—大孔”多級孔道結構的硅鋁基人工沸石，甲烷吸附率高達80%。

技術成果轉化，推動能源產業變革

2023年，這項歷經十余年研發的成果成功應用于全國首個“移動撬裝式低濃度煤層氣提濃裝置示范工程”。該吸附劑對低濃度煤層氣的提濃效果遠超市面產品，且在含濕工況條件下分離富集性能穩定，非常適用于中小規模煤礦企業低濃度煤層氣的提濃利用。

中北大學教授劉有智評價：“加快煤層氣的開發利用是推進能源生產和消費革命的關鍵一環，也是保障國家能源安全的重要支撐力量。李晉平團隊的成果，填補了2% - 8%超低濃度瓦斯規模化利用的全球空白，構建了全域煤層氣高效梯級利用的完整技術鏈。”

李晉平表示，未來團隊將加快技術推廣和創新探索腳步，為保障國家能源安全、推動煤礦綠色低碳轉型提供強有力的科技支撐。

這項來自山西的科研成果，不僅彰顯了山西在能源領域的科研實力，更為全球能源產業的可持續發展貢獻了寶貴的“山西智慧”和“中國方案”，有望引領能源革命邁向新的高度 。