MOF精准加氢脱氧催化剂,上科大物质学院联合团队助力航空燃油碳中和

ON2021-12-03文章来源 物质科学与技术学院CATEGORY新闻

面向“碳达峰、碳中和”的国家战略,航空运输行业为实现2050年净零碳排放目标仍面临挑战。上海科技大学物质科学与技术学院李智课题组和章跃标课题组开展合作研究,在金属有机框架(MOF)固体酸-金属串联催化呋喃类和环醚类生物基分子的精准加氢脱氧反应中取得进展,实现了从一系列生物基分子到单一结构高碳数烷烃的定向转化,有望定制高能效、低排放、碳中和的可持续航空燃料,助力航空运输行业能源绿色转型升级。

目前,航空运输行业碳排放量占到交通运输领域总碳排放量的10%(约占全球总碳排放量的2%),其中航空燃油燃烧约占其79%。通过生物质转化而来的可持续航空燃料(Sustainable Aviation Fuel, SAF)可替代传统化石燃料作为未来航空业的能源供应来源,是业界减少碳排放、实现碳中和的首选方案。2021年10月,国际航空运输协会(IATA)通过了全球航空运输业于2050年实现净零碳排放的决议,预计到2050年全球SAF的需求量将达到4490亿公升/年。近日,国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》也明确指出:“……大力推进先进生物液体燃料、可持续航空燃料等替代传统燃油,提升终端燃油产品能效。”因此,发展精准合成化学、定制具有特定结构的燃料分子,成为SAF提高燃油效率、控制尾气排放和实现碳中和的重要发展方向。

精准加氢脱氧(PHDO)反应可以将生物基含氧化合物在碳链保持不变的前提下定向转化为单一结构的烷烃分子,可避免副反应和混合产物,进一步大大提高燃油的品质。李智课题组前期研究采用的均相酸催化剂,虽可实现高选择性的串联反应,但是催化剂回收利用难度大,生产成本高;而固体酸催化剂的设计则涉及酸性位点和氢化(金属)位点的精细调控,是多相催化领域的一大挑战。李智课题组和章跃标课题组采用了远程串联催化策略,将酸性MOF材料MIL-101-SO3H与商业化的Pd/C催化剂进行简单的机械混合,实现了一系列生物基含氧化合物的PHDO反应,成功生产了十多种结构丰富的高碳数烷烃(C10至C20+),所获可用于SAF用途的烷烃最高纯度可达99%。相关的催化剂组合可以通过简单的过滤回收利用,回收至少5次效果不减。该策略的巧妙之处在于借助MIL-101-SO3H优越的“亲氧疏烯”性能以及通畅的孔道环境,利用酸性-SO3H(磺酸)位点选择性地活化含氧原料,同时把已经完成脱氧反应的烯烃中间体递送出MOF孔道外,并传送到Pd催化剂上,从而避免了烯烃聚合、环化、异构和裂解等副反应。与邻近协同的双功能催化剂原理不同,该位点正交的远程串联设计有利于通过简单的组合优化整体的催化性能。

近日,相关成果以“Acidic metal−organic framework empowered precise hydrodeoxygenation of bio-based furan compounds and cyclic ethers for sustainable fuels”为题在国际知名学术期刊《绿色化学》(GREEN CHEMISTRY)上在线发表。李智课题组2020届博士毕业生刘东煌和章跃标课题组2018级博士研究生贺海龙为论文共同第一作者,李智教授和章跃标教授为论文共同通讯作者,上海科技大学为第一完成单位。中科院武汉物理与数学研究所郑安民团队参与了MOF固体酸的酸性表征,上科大物质学院分析测试中心为材料气体吸附表征提供了重要的技术支持。该研究工作受到上海市科委“科技创新行动计划”基础研究领域项目和上海科技大学启动经费的支持。

论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/GC/D1GC03055H


图1.  远程串联的反应策略实现PHDO反应



图2.  MIL-101-SO3H的选择性吸附性能(a)和孔道结构及客体吸附热(b)