清華新聞網(wǎng)1月25日電 近日，化工系魏飛-張晨曦團(tuán)隊(duì)在CO2制綠色航煤(CO2 to Aviation Fuel, CO2AFTM)技術(shù)開(kāi)發(fā)取得重要進(jìn)展。通過(guò)設(shè)計(jì)指向含芳環(huán)航煤餾分(C8~15)為目標(biāo)產(chǎn)物的工藝路線(xiàn)，從熱力學(xué)上實(shí)現(xiàn)了CO2加氫的自發(fā)反應(yīng)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(guò)界面耦合催化實(shí)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(shí)現(xiàn)CO2高壓加氫多相反應(yīng)器內(nèi)氣固相結(jié)構(gòu)的調(diào)控。多相催化與多相流反應(yīng)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
CO2制綠色航煤(CO2 to Aviation Fuel, CO2AFTM)技術(shù)示意圖
在“碳達(dá)峰-碳中和”目標(biāo)下，高速發(fā)展的航空運(yùn)輸業(yè)急需大量綠色航煤作為清潔動(dòng)力。綠色航煤是指從非化石資源而來(lái)的C8~C15液體烴類(lèi)燃料，是目前世界航空運(yùn)輸業(yè)公認(rèn)降低CO2排放的可行路線(xiàn)。截至2020年底，共有65個(gè)國(guó)家執(zhí)行了綠色航煤強(qiáng)制摻混指令。歐盟(EU)《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(xiàn)獲得，售價(jià)高達(dá)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(guó)際學(xué)術(shù)熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)痛點(diǎn)。
納米ZnCr2O4尖晶石和短b軸H-ZSM-5分子篩酸堿異質(zhì)結(jié)耦合催化體系及其CO2/CO加氫反應(yīng)性能
魏飛團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了超80wt.%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)(iDPC-STEM)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guān)統(tǒng)計(jì)，證實(shí)了酸堿異質(zhì)結(jié)耦合的催化界面結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了芳烴和芳醛/芳醇的選擇性脫附能力，是實(shí)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(jì)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。
高壓流態(tài)化的相結(jié)構(gòu)調(diào)控
同時(shí)，魏飛團(tuán)隊(duì)還針對(duì)CO2高壓加氫流化床反應(yīng)器中氣固流動(dòng)復(fù)雜難控的工程問(wèn)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(jì)物理學(xué)方法建立數(shù)理模型對(duì)高壓下氣固流態(tài)化系統(tǒng)進(jìn)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(guò)相圖定量描述高壓流態(tài)化穩(wěn)定相共存的區(qū)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)流態(tài)化中相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的科學(xué)調(diào)控，指導(dǎo)了CO2高壓流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相關(guān)成果“流態(tài)化中的相共存”(Phase coexistence in fluidization)，以L(fǎng)etter形式發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)工程會(huì)志》（AIChE Journal）期刊上，該欄目主要報(bào)道化工領(lǐng)域中具有前瞻性以及有潛在重大影響的工作。
CO2制綠色航煤(CO2 to Aviation Fuel, CO2AFTM)技術(shù)研發(fā)歷程
目前，化工系魏飛-張晨曦團(tuán)隊(duì)已完成了CO2AFTM技術(shù)由概念到實(shí)驗(yàn)室小試，正在進(jìn)行10萬(wàn)立CO2/年中試。若以CO2和綠氫為原料，本技術(shù)可創(chuàng)造負(fù)碳排放，助力航空飛行實(shí)現(xiàn)凈零排放。為我國(guó)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)做出貢獻(xiàn)，與領(lǐng)域內(nèi)世界科技巨頭（美國(guó)霍尼韋爾UOP的Green Jet FuelTM以及歐洲莊信萬(wàn)豐Johnson Matthey的HyCOgenTM）同臺(tái)競(jìng)技，在世界低碳核心技術(shù)領(lǐng)域提出清華方案。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c04961
https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.17530
供稿：化工系
編輯：邱收
審核：田姬熔
