随着全球航空业努力减少对环境的影响，开发可替代传统石油喷气燃料的可持续航空燃料（SAF）的竞赛也在进行。一个前景广阔的解决方案来自一个不太可能的来源--丰富的生物聚合物木质素。研究人员现在已经展示了一种将木质素直接转化为高质量喷气燃料碳氢化合物的新工艺，为航空旅行更可持续的未来铺平了道路。

可持续航空燃料的挑战

航空业是全球温室气体排放的主要来源，约占全球总排放量的 2-3%。随着航空旅行预计在未来几十年内强劲反弹，寻找该行业去碳化的方法已迫在眉睫。与传统的喷气燃料相比，SAF 具有减少排放的潜力，已成为解决方案的关键部分。

目前的大多数 SAF 都是从植物油和动物脂肪等动植物脂类中生产出来的。然而，这些原料的有限可用性意味着它们无法扩大规模，以满足未来预计激增的航空燃料需求。"新研究的主要作者、华盛顿州立大学教授杨斌说："人们普遍认为，要实现 2050 年航空业净零排放的目标，必须采用多种新途径。

另一个挑战是，许多 SAF 缺乏传统喷气燃料所需的特性。"杨解释说："许多航空公司限制直接使用这些SAF，并将其燃料与传统喷气燃料进行平衡，以解决密度、密封膨胀和其他成分方面的问题。这主要是由于缺乏某些烃类，如芳烃和环烷烃，而这些烃类对燃料的兼容性和性能非常重要。

挖掘木质素的潜力

木质素是一种复杂的芳香族聚合物，是地球上含量仅次于纤维素的天然聚合物。木质素是各种生物精炼工艺的副产品，全球年产量约为 3 亿吨。"杨说："木质素有能力生产一种基于芳香结构的聚合物，这种聚合物可以作为生产燃料、化学品和材料的基础。

杨的研究小组和其他小组之前的研究表明，利用催化解聚和加氢脱氧（HDO）将木质素转化为喷气燃料范围内的碳氢化合物具有很大的潜力。这些工艺可以有选择性地生产环烷烃混合物，环烷烃是一种有可能替代喷气燃料中芳烃的烃类，具有相似的密度和密封膨胀特性。

然而，开发一种能够处理复杂的工业木质素原料的连续流动工艺一直是个挑战。"解决木质素的异质性所带来的挑战对于在连续流反应器中成功处理工业木质素至关重要，"杨说。

木质素连续转化技术取得突破

在发表于《燃料加工技术》（Fuel Processing Technology）的最新研究成果中，研究人员展示了一种新型的 "同时解聚和加氢脱氧"（SDHDO）工艺，该工艺可将木质素持续转化为高质量的喷气燃料碳氢化合物。

他们研究方法的关键是一种工程双功能催化剂，被称为 Ru-HY-60-MI，它将酸性沸石载体与高度分散的钌纳米粒子结合在一起。"论文第一作者、美国国家可再生能源实验室研究员阿达什-库马尔（Adarsh Kumar）解释说："设计和合成用于直接木质素加氢脱氧的高效工程化双功能催化剂具有挑战性。

"解聚、环饱和及 C-O 加氢分解之间的竞争给环饱和烃的生产带来了困难。这些特性的完美结合可以成为生产饱和烃的有效催化剂"。

研究人员将 Ru-HY-60-MI 催化剂装入一个连续流动反应器，并加入碱处理过的玉米秸秆木质素溶液。在 250°C 和 1,150 psi 氢压的优化反应条件下，他们能够使木质素基喷气燃料 (LJF) 产品的最高碳产量达到 17.9%。

详细分析显示，LJF 由 60.2% 的单环烷烃和 21.6% 的多环烷烃组成，这些烃类对燃料的兼容性和性能至关重要。"杨说："α级燃料性能测试表明，使用 SDHDO 化学方法生产的 LJF 可以为飞机生产出兼容性高、密封性好、低排放和高能量密度的 SAF。

研究的一个关键方面是对 Ru-HY-60-MI 催化剂在使用前后的详细表征。这为了解催化剂的结构和在 SDHDO 过程中的行为提供了宝贵的见解。

研究小组发现，经过催化剂工程步骤后，HY 沸石的结构和结晶度在很大程度上得以保留，小钌纳米颗粒（平均尺寸为 2.9 纳米）分散在整个载体中。温度编程还原分析显示存在两种不同类型的氧化钌，这表明金属与载体之间存在良好的相互作用。

然而，废催化剂出现了一些显著变化。电感耦合等离子体分析检测到钾含量大幅增加，这可能是由于木质素溶液与 HY 沸石之间的离子交换造成的。催化剂表面还有碳沉积的迹象，随着时间的推移，这也是导致催化剂失活的原因之一。

"库马尔说："污染物和焦炭的形成导致催化剂失活，这是我们需要克服的主要挑战之一，以使这种方法具有商业可行性。"还需要进一步努力，开发出更坚固的催化剂和反应器设计，以承受木质素转化过程中的恶劣条件。

研究人员相信，他们对催化剂结构-活性关系的深入了解将有助于指导下一代催化剂的开发，从而实现木质素的连续升级。"库马尔指出："催化剂表征方法表明，Ru-HY-60-MI 具有较小的 Ru 尺寸，在 HY-60 载体上具有良好的分散性。"然而，在实验过程中，由于木质素溶液中的 K+ 离子交换到 HY-60 和 Ru-HY-60-MI 表面的碳沉积，导致催化剂失活。

连续流 SDHDO 工艺的成功示范是木质素喷气燃料商业化的重要一步。以往的木质素喷气燃料研究都依赖于间歇式反应器，这种反应器的可扩展性和经济性都较差，不适合大规模生产。

"商业规模生产将有助于实现可持续航空燃料的环境效益。"要实现 LJF 的商业化生产目标，需要一个连续的过程"。

研究人员指出，他们的方法解决了与连续木质素转化相关的几个关键难题。"我们采用创新的反应工程技术，克服了木质素直接转化的复杂性，并保留了产品中的环状结构。

展望未来，该团队正致力于进一步优化该工艺并解决剩余的障碍。"我们将继续推进该工艺的应用，克服三大挑战：降低加氢处理催化剂的成本；由于木质素的聚合结构而提高固体催化剂的效率；以及阻碍污染物和焦炭形成导致的催化剂失活。

如果获得成功，木质素喷气燃料将为可持续航空开辟新的可能性。"杨解释说："木质素基喷气燃料可为现有的 SAF 途径提供互补特性，提供正构烷烃和异构烷烃无法达到的所需密度和密封膨胀性，同时提高混合燃料的十六烷值。

潜在的环境效益也非常显著。"经济地生产木质素喷气燃料可以提高可持续航空燃料的可持续性，并减少温室气体的总体排放量，"杨说。

通向航空业绿色未来的希望之路？

木质素喷气燃料的开发是实现更可持续航空旅行的一个令人兴奋的突破。研究人员利用木质素这一丰富但未得到充分利用的技术资源，展示了一条生产高质量喷气燃料碳氢化合物的可行途径，可作为现有 SAF 方案的补充。

在创新的双功能催化剂作用下，连续的 SDHDO 工艺克服了与木质素转化相关的几个关键挑战，为潜在的商业规模生产奠定了基础。虽然挑战依然存在，但木质素衍生喷气燃料的前景是显而易见的--在未来，航空旅行可以使用从植物废弃物中提取的可再生、低排放燃料。

随着全球航空业继续努力应对其对环境的影响，木质素喷气燃料等解决方案让人们看到了一条更具可持续性的发展道路。通过进一步的研究和优化，这项技术可以在帮助航空业实现其雄心勃勃的脱碳目标方面发挥至关重要的作用。

参考文献

1. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2024.108129

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