近日，清華大學化工系魏飛-張晨曦團隊在CO2制綠色航煤技術(shù)開發(fā)取得重要進展。

    通過設(shè)計指向含芳環(huán)航煤餾分(C8~15)為目標產(chǎn)物的工藝路線，從熱力學上實現(xiàn)了CO2加氫的自發(fā)反應路徑；構(gòu)造金屬氧化物-分子篩的酸堿異質(zhì)結(jié)催化劑，通過界面耦合催化實現(xiàn)80%以上的航煤烴基選擇性；基于氣固兩相可壓縮性的探究，實現(xiàn)CO2高壓加氫多相反應器內(nèi)氣固相結(jié)構(gòu)的調(diào)控。多相催化與多相流反應器的結(jié)合為CO2制綠色航煤從概念到產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。


    在“碳達峰-碳中和”目標下，高速發(fā)展的航空運輸業(yè)急需大量綠色航煤作為清潔動力。綠色航煤是指從非化石資源而來的C8~C15液體烴類燃料，是目前世界航空運輸業(yè)公認降低CO2排放的可行路線。截至2020年底，共有65個國家執(zhí)行了綠色航煤強制摻混指令。歐盟《可再生能源指令》要求綠色航煤的添加比例在2030年不低于5%，2050年不低于63%。目前，綠色航煤主要由生物油脂的裂化-精制路線獲得，售價高達2700~3100美元/噸，是石油基航煤的4倍。因此，如何高選擇性、低成本定向獲得綠色航煤成為國際學術(shù)熱點和產(chǎn)業(yè)痛點。



魏飛團隊采用納米ZnCr2O4尖晶石和短b軸H-ZSM-5分子篩在高壓加氫環(huán)境下制備酸堿異質(zhì)結(jié)耦合的新型催化劑結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了超80 wt.%選擇性的CO2/CO到含有C8-C12芳烴的航煤餾分。結(jié)合積分差分相位襯度掃描透射電子顯微技術(shù)實現(xiàn)了對分子篩孔道內(nèi)產(chǎn)物芳烴和關(guān)鍵中間產(chǎn)物芳醛/芳醇的微觀統(tǒng)計，證實了酸堿異質(zhì)結(jié)耦合的催化界面結(jié)構(gòu)，強化了芳烴和芳醛/芳醇的選擇性脫附能力，是實現(xiàn)溫和條件下綠色航煤超高選擇性的關(guān)鍵。相關(guān)成果以“Highly Selective Conversion of CO2 or CO into Precursors for Kerosene-based Aviation Fuel via Aldol-Aromatic Mechanism”（基于醛醇-芳香路徑設(shè)計的CO2/CO高選擇性制備芳環(huán)航空燃料）為題發(fā)表于《ACS催化》（ACS Catalysis）期刊上。



同時，魏飛團隊還針對CO2高壓加氫流化床反應器中氣固流動復雜難控的工程問題，研究了氣固相結(jié)構(gòu)調(diào)控策略。引入描述相共存的vander Waals方程，利用統(tǒng)計物理學方法建立數(shù)理模型對高壓下氣固流態(tài)化系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，奠定流態(tài)化內(nèi)氣固相分離的理論基礎(chǔ)，通過相圖定量描述高壓流態(tài)化穩(wěn)定相共存的區(qū)間，實現(xiàn)對流態(tài)化中相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的科學調(diào)控，指導了CO2高壓流化床反應器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。相關(guān)成果“流態(tài)化中的相共存”(Phase coexistence in fluidization)，以Letter形式發(fā)表于《美國化學工程會志》（AIChE Journal）期刊上，該欄目主要報道化工領(lǐng)域中具有前瞻性以及有潛在重大影響的工作。