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张书南/王慧ACS Catalysis: 反相结构KFeZr串联催化高效合成可持续航空燃料

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第一作者:张若楠

通讯作者:张书南、王慧

通讯单位:上海科技大学2060研究院、中国科学院上海高等研究院

论文DOI:10.1021/acscatal.6c04887

全文速览

近日,上海科技大学2060研究院张书南/王慧研究团队,在二氧化碳加氢合成可持续航空燃料领域取得研究进展。研究团队构筑了反相结构的KFeZr双功能串联催化剂,实现了将CO2高效转化为航空煤油馏分范围(C8–C16)的碳氢化合物。该反相结构以高分散ZrO2纳米畴锚定Fe相表面,诱导强Fe–Zr相互作用,稳定最佳物相组成(Fe5C2/Fe3O4≈ 1.2),并使界面位密度较常规催化剂提升约3.2倍;与HZSM-5耦合后,航空燃料馏分选择性提升22%。更值得关注的是,研究团队发现CO可作为“氢泵”调控分子筛内氢转移,促进脱氢环化与芳构化;在原料气中引入CO后,目标馏分选择性最高达39.7%。这一“反相结构设计+中间体介导氢调控”协同策略,有望为高选择性合成航空燃料提供新的界面工程思路,也为CO2资源化利用与航空业深度脱碳开辟了可行路径。相关成果以“Boosting CO2-to-Aviation Fuel Fraction over an Inverse Structured KFeZr Tandem Catalyst”为题,发表于《ACS Catalysis》杂志。

背景介绍

民用航空仍高度依赖石油基航空煤油,已成为全球CO2排放增长最快的来源之一。为此,全球航空业提出了2050年净零碳排放的雄心目标,发展可持续航空燃料(Sustainable Aviation Fuel, SAF)成为关键抓手。在ASTM D7566标准所列技术路线中,Power-to-Liquid(PtL)——即以CO2和H2为原料合成SAF——被学术界与工业界共同视为实现航空脱碳的重要路径。在众多PtL路线中,Fe基催化剂/分子筛双功能催化体系因碳效率高而被广泛研究。其基本思路是:Fe基催化剂上先生成C2–C4轻烯烃中间体,轻烯烃再扩散进入分子筛孔道,经低聚、环化等反应“升级”为C8–C16的航空燃料馏分。

然而,这条“串联反应链”并不顺畅:一方面,Fe基催化剂在反应条件下易演化为FeO、Fe3O4、χ-Fe5C2、θ-Fe3C、Fe7C3等多物相混合,导致目标轻烯烃收率下降;另一方面,分子筛孔道内轻烯烃扩散受限,氢物种管理失衡(过度加氢、氢转移失控)等问题,使SAF馏分选择性难以突破。文献中传统Fe–Zr体系的SAF选择性通常不超过30%。

本文亮点

1.逆结构KFeZr实现界面位点密度倍增

不同于传统“Fe负载在ZrO2上”的正置构型,研究团队构筑了高分散ZrO2纳米畴锚定于Fe相表面的反相结构,诱导强Fe–Zr电子相互作用,稳定最佳物相组成(Fe5C2/Fe3O4≈ 1.2)。该构型不仅物理钝化过度链增长位点、抑制积碳,还显著富集界面氧空位,使界面位密度较常规催化剂提升约3.2倍,为CO2高效活化与轻烯烃中间体生成提供了充足活性界面。

2.串联耦合与合成优化协同突破选择性瓶颈

将反相结构KFeZr与HZSM-5串联后,航空燃料馏分(C8–C16)选择性较常规构型提升22%;进一步采用有机燃烧法减小Fe物种晶粒、缩短颗粒内扩散距离,界面位密度再提升约1.8倍,实现轻烯烃“生成—升级”动力学匹配。在优化反应条件下,目标馏分选择性最高达39.7%,产物以芳烃为主,展现出面向可持续航空燃料的高应用潜力。

3.发现CO“氢泵”调控分子筛氢转移新机制

机理研究表明,CO不仅是逆水煤气变换的产物,更是串联过程中的关键中间体:其在分子筛内交替供氢/受氢,维持氢转移平衡,促进脱氢环化与芳构化,从而将轻烯烃高效“升级”为航空燃料馏分。向原料气中引入CO可进一步抬升选择性,为中间体介导的氢调控与高性能双功能催化剂设计提供了新范式。

图文解析


图1. 新鲜催化剂的结构表征:物相、形貌与粒径

要点:

1.物相与形貌:XRD显示不同Fe/Zr比新鲜催化剂均以α-Fe2O3为主相;HAADF-STEM与EDS元素映射直观呈现Fe、Zr分布。

2.逆结构雏形:KFeZr(20/1)中Zr高度分散于Fe相表面,HRTEM可见细小晶粒与丰富界面,为反应中形成逆结构奠定基础。

3.织构优势:BET比表面积与平均粒径统计表明,富Zr样品颗粒更小、比表面更大,有利于暴露活性界面。


图2. 还原态催化剂的物相演化与局域配位

要点:

1.还原物相:XRD表明还原后主要为金属Fe,且随Fe/Zr变化出现细微差异,为后续碳化提供前驱。

2. Fe局域结构:Fe K-edge EXAFS/XANES显示Fe–Fe配位与近边特征随组成改变,反映Fe–Zr电子相互作用。

3. Zr近原子分散:Zr K-edge EXAFS中Zr–Zr散射信号显著弱化,证实Zr以近原子级分散锚定在Fe表面,而非形成大块ZrO2。


图3. CO2加氢催化性能与产物分布

要点:

1.单相催化:在H2/CO2=3/1、320 °C、3 MPa下,Fe/Zr=20/1时CO2转化率为45.3%、C2–C4烯烃选择性为38.2%、CO选择性仅7.9%。

2.串联火山型:与HZSM-5(27)耦合后,SAF选择性随Fe/Zr呈火山型变化,KFeZr(20/1)峰值达32.6%,较常规构型提升约22%。

3.碳数迁移:产物碳数分布由C11向C8移动,表明逆结构抑制过度链增长,更贴近航空燃料馏分。


图4. 反应后催化剂的物相与界面重构

要点:

1.物相平衡:Mössbauer定量显示KFeZr(20/1)达到Fe5C2/Fe3O4 ≈ 1.2的平衡组成,耦合RWGS与FTS。

2.界面生成:Zr表面偏析形成约4 nm ZrO2纳米颗粒锚定Fe相,HRTEM与EDS映射给出高密度界面(最高277.0 μmol site m-2)。

3.结构抗性:逆结构抑制非晶碳壳层生长,抗积碳与抗氧化能力优于常规KFe与KFeZr(2/1)。


图5. CO共进实验与“氢泵”机制(原刊Figure 8)

要点:

1. CO并非终产物:OC催化剂串联后CO被显著消耗且SAF选择性最高,说明CO参与下游转化而非简单脱附。

2. “氢泵”机制:示意图表明CO在HZSM-5内交替供氢/受氢,平衡脱氢环化(DHC)与氢转移,促进芳构化。

3.性能印证:共进CO使C5+选择性升至73.9%,10% CO时SAF选择性达39.7%;烯烃原料对照中芳烃占比升至62%。

总结与展望

本工作成功构筑了反相结构的KFeZr催化剂,并与HZSM-5组成高效串联体系,实现了CO2向航空燃料馏分(C8–C16)的高选择性转化。强Fe–Zr相互作用原位生成高分散ZrO2纳米畴,既平衡了Fe物相组成,又物理钝化过度链增长位点,带来高界面密度与丰富界面氧空位;通过减小Fe物种尺寸还可使界面位密度进一步翻倍,加速轻烯烃中间体向分子筛的扩散。结合原位谱学与催化评价,作者揭示了CO作为“氢泵”平衡分子筛内氢转移的新机制。逆结构设计与中间体介导氢调控的协同,使SAF馏分选择性最高达39.7%。该策略为设计高性能CO2加氢双功能催化剂提供了清晰的界面工程思路与可操作的合成路径。

文献信息

Ruonan Zhang, Shunan Zhang,* Hui Zhan, Hangqing Lin, Haozhi Zhou, Hu Luo, Xiaofang Liu, Lin Xia, and Hui Wang*

Boosting CO2-to-Aviation Fuel Fraction over an Inverse Structured KFeZr Tandem Catalyst

ACS Catalysis, 2026. DOI: 10.1021/acscatal.6c04887

https://doi.org/10.1021/acscatal.6c04887

作者介绍


张书南,2022年于中国科学院大学获博士学位,同年加入上海科技大学2060研究院,历任助理研究员、副研究员。主要致力于CO2加氢制备高值化学品及多相催化剂的设计与开发。迄今主持国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金面上项目、上海市“晨光计划”及鄂尔多斯市科技突围“揭榜挂帅”重大项目课题等多项课题。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal.、Appl. Catal. B: Environ.等国际期刊上发表论文10余篇。


王慧,上海科技大学2060研究院助理院长,中国科学院上海高等研究院研究员、博士生导师,中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室副主任。主要从事碳资源化利用及碳循环应用基础研究及其技术开发,作为负责人先后承担科技部、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院A 类先导、上海市科委重点、中海油等能源头部企业研发横向项目等多项研究工作。以第一或通讯作者在Nat. Commun.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew.、Chem、、National Science Review等期刊发表60 余篇文章,申请发明专利60 余项,获授权35 项,专利转化6项。作为技术负责人率先完成5000 吨/年绿色甲醇合成工业示范并正在开展工业化应用。曾获“壳牌(shell)中国优秀科研成果奖”一等奖,张江国家自主创新示范区杰出创新创业人才、入选东方英才计划领军项目、中科院青促会、第十五届国际二氧化碳利用青年科学家奖。

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