魏飞团队在二氧化碳制绿色航煤领域取得重要进展

  近日,清华大学化工系魏飞-张晨曦团队在CO2制绿色航煤(CO2 to Aviation Fuel, CO2AFTM)技术开发取得重要进展。通过设计指向含芳环航煤馏分(C8~15)为目标产物的工艺路线,从热力学上实现了CO2加氢的自发反应路径;构造金属氧化物-分子筛的酸碱异质结催化剂,通过界面耦合催化实现80%以上的航煤烃基选择性;基于气固两相可压缩性的探究,实现CO2高压加氢多相反应器内气固相结构的调控。多相催化与多相流反应器的结合为CO2制绿色航煤从概念到产业化奠定了坚实的基础。

  

CO2制绿色航煤(CO2 to Aviation Fuel, CO2AFTM)技术示意图

  

  在“碳达峰-碳中和”目标下,高速发展的航空运输业急需大量绿色航煤作为清洁动力。绿色航煤是指从非化石资源而来的C8~C15液体烃类燃料,是目前世界航空运输业公认降低CO2排放的可行路线。截至2020年底,共有65个国家执行了绿色航煤强制掺混指令。欧盟(EU)《可再生能源指令》要求绿色航煤的添加比例在2030年不低于5%,2050年不低于63%。目前,绿色航煤主要由生物油脂的裂化-精制路线获得,售价高达2700~3100美元/吨,是石油基航煤的4倍。因此,如何高选择性、低成本定向获得绿色航煤成为国际学术热点和产业痛点。

  

纳米ZnCr2O4尖晶石和短b轴H-ZSM-5分子筛酸碱异质结耦合催化体系及其CO2/CO加氢反应性能

  

  魏飞团队采用纳米ZnCr2O4尖晶石和短b轴H-ZSM-5分子筛在高压加氢环境下制备酸碱异质结耦合的新型催化剂结构,实现了超80wt.%选择性的CO2/CO到含有C8-C12芳烃的航煤馏分。结合积分差分相位衬度扫描透射电子显微技术(iDPC-STEM)实现了对分子筛孔道内产物芳烃和关键中间产物芳醛/芳醇的微观统计,证实了酸碱异质结耦合的催化界面结构,强化了芳烃和芳醛/芳醇的选择性脱附能力,是实现温和条件下绿色航煤超高选择性的关键。相关成果以“Highly Selective Conversion of CO2 or CO into Precursors for Kerosene-based Aviation Fuel via Aldol-Aromatic Mechanism”(基于醛醇-芳香路径设计的CO2/CO高选择性制备芳环航空燃料)为题发表于《ACS催化》(ACS Catalysis)期刊上。

  

高压流态化的相结构调控

  

  同时,魏飞团队还针对CO2高压加氢流化床反应器中气固流动复杂难控的工程问题,研究了气固相结构调控策略。引入描述相共存的vander Waals方程,利用统计物理学方法建立数理模型对高压下气固流态化系统进行稳定性分析,奠定流态化内气固相分离的理论基础,通过相图定量描述高压流态化稳定相共存的区间,实现对流态化中相结构转变的科学调控,指导了CO2高压流化床反应器的结构设计。相关成果“流态化中的相共存”(Phase coexistence in fluidization),以Letter形式发表于《美国化学工程会志》(AIChE Journal)期刊上,该栏目主要报道化工领域中具有前瞻性以及有潜在重大影响的工作。

  

CO2制绿色航煤(CO2 to Aviation Fuel, CO2AFTM)技术研发历程

  

  目前,化工系魏飞-张晨曦团队已完成了CO2AFTM技术由概念到实验室小试,正在进行10万立CO2/年中试。若以CO2和绿氢为原料,本技术可创造负碳排放,助力航空飞行实现净零排放。为我国2030年碳达峰、2060年碳中和目标做出贡献,与领域内世界科技巨头(美国霍尼韦尔UOP的Green Jet FuelTM以及欧洲庄信万丰Johnson Matthey的HyCOgenTM)同台竞技,在世界低碳核心技术领域提出清华方案。

  

  论文链接:

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c04961

  https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.17530

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