网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

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

0
分享至



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。

版权声明

本文仅用于学术分享,转载请注明出处,如有侵权,请联系后台小编删除

【菲常新品】高通量催化剂制备反应检测系统:①全自动全流程智能化,从制备到检测一站式完成;②适配气固相非冷凝类反应(CO+H₂、合成氨等)。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
狗咬人被摔死,狗主人带9人上门打砸遭老人反杀,算不算正当防卫

狗咬人被摔死,狗主人带9人上门打砸遭老人反杀,算不算正当防卫

易玄
2026-08-05 08:15:35
新规来了!50、55岁还在上班的人,加班、社保、辞退全变了

新规来了!50、55岁还在上班的人,加班、社保、辞退全变了

细说职场
2026-10-26 14:52:50
创业板指跌逾2% 科创50跌超3%

创业板指跌逾2% 科创50跌超3%

每日经济新闻
2026-10-27 14:47:08
今晚!上海海港出战亚冠,武磊等率中超冠军VS越南球队,CCTV5不转,2大平台直播

今晚!上海海港出战亚冠,武磊等率中超冠军VS越南球队,CCTV5不转,2大平台直播

晚池
2026-10-27 11:10:00
骑士127-125胜森林狼,赛后哈登被吹爆,拒做软蛋3年9654万太超值

骑士127-125胜森林狼,赛后哈登被吹爆,拒做软蛋3年9654万太超值

赵或是个热血青年
2026-10-27 10:53:10
乒乓球冠军赛直播时间表:27日CCTV5+直播国乒赛事,孙颖莎迎首秀

乒乓球冠军赛直播时间表:27日CCTV5+直播国乒赛事,孙颖莎迎首秀

生活新鲜市
2026-10-27 08:29:06
诸葛宇杰,任青海省政府党组书记!池州市委书记朱浩东,当选安徽省委常委!

诸葛宇杰,任青海省政府党组书记!池州市委书记朱浩东,当选安徽省委常委!

时尚的弄潮
2026-10-27 09:35:37
我国将被淘汰的三样电器,千万别买了!尤其第2个,你家可能就有

我国将被淘汰的三样电器,千万别买了!尤其第2个,你家可能就有

小蜜情感说
2026-10-27 12:21:57
阿森纳锁定新锋线猎物,21岁射手8场7球领跑意甲

阿森纳锁定新锋线猎物,21岁射手8场7球领跑意甲

足球推文C
2026-10-27 17:40:59
9国6万人压境,解放军发射一枚战略导弹,射程超8000公里

9国6万人压境,解放军发射一枚战略导弹,射程超8000公里

小马姨
2026-10-24 17:30:15
路人偶遇郭富城,网传身高仅164?比林志颖还矮引热议

路人偶遇郭富城,网传身高仅164?比林志颖还矮引热议

枯蝶
2026-10-26 14:33:05
凯恩获奖后,阿媒晒梅西过英格兰球员、凯恩倒地图

凯恩获奖后,阿媒晒梅西过英格兰球员、凯恩倒地图

懂球帝
2026-10-27 09:50:46
央视《缅北电诈覆灭纪实》再次证实佘智江和黄有龙的联系,盆友们,真相快要大白了!

央视《缅北电诈覆灭纪实》再次证实佘智江和黄有龙的联系,盆友们,真相快要大白了!

BenSir本色说
2026-10-10 23:17:13
你见过最精神的精神小妹是什么样的?网友评论,真是大开眼界

你见过最精神的精神小妹是什么样的?网友评论,真是大开眼界

夜深爱杂谈
2026-10-26 21:25:25
越扒越有!陈宇昕旭日旗事件牵出祖孙三代亲日内幕

越扒越有!陈宇昕旭日旗事件牵出祖孙三代亲日内幕

平老师666
2026-10-26 21:31:08
哈里·凯恩赢得2026金球奖

哈里·凯恩赢得2026金球奖

上观新闻
2026-10-27 07:03:47
三上悠亚、铃村爱里、浅野心、九野雏乃、吉高宁宁、桃乃木香奈 日本美女明星动态

三上悠亚、铃村爱里、浅野心、九野雏乃、吉高宁宁、桃乃木香奈 日本美女明星动态

鹿鹿156
2026-10-27 10:42:15
或真成中超笑话!蓉城最后一轮若在客场丢冠,将创造4大名场面

或真成中超笑话!蓉城最后一轮若在客场丢冠,将创造4大名场面

兵哥篮球故事
2026-10-27 12:15:15
麻六记团建全员宠!汪宝儿化身小团宠,对着镜头卖萌太治愈

麻六记团建全员宠!汪宝儿化身小团宠,对着镜头卖萌太治愈

尺素a
2026-10-26 14:34:57
一个国家能蠢到什么程度?看看法国就明白了:法国黑人接近800万,巴黎新生儿里70%是黑人

一个国家能蠢到什么程度?看看法国就明白了:法国黑人接近800万,巴黎新生儿里70%是黑人

怪味历史连连看
2026-09-08 01:55:32
2026-10-27 17:56:49
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
3079文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

Anthropic最硬气招股书,先把丑话说在前头

头条要闻

大搞利益交换 副部级"内鬼"王会民受贿4.36亿被判死缓

头条要闻

大搞利益交换 副部级"内鬼"王会民受贿4.36亿被判死缓

体育要闻

世界上最无趣的前锋,拿下了金球奖

娱乐要闻

芒果遇到厉娜和许飞笑发财了!

财经要闻

韩国芯片出口额可能下降高达1000亿美元

汽车要闻

油耗更低、尺寸更大 第三代秦PLUS DM-i上市7.69万起

态度原创

教育
本地
数码
健康
公开课

教育要闻

好多学生都在这道题丢分儿了,家长看后,说此题超纲了

本地新闻

十月奔赴迪庆,解锁梅里日照金山

数码要闻

华硕推出TUF Gaming Radeon RX 9070 XT《鬼武者:剑之道》特别版显卡:蓝金外观,附赠游戏兑换码

查不出猝死风险?可能是项目没做对

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版