木质素作为一种自然界中丰富的可再生芳烃资源，其相比于多糖组分拥有更高的能量密度，使其成为了生产生物质燃料的理想材料，同时作可持续航空燃油(Sustainable aviation fuels, SAFs)生产环烷烃和芳烃的原料，引发了许多研究者的兴趣。
通过以能源为中心的分析，研究表明木质素转换技术具有近期潜力来匹配现有商业可持续航空燃料生产过程的焓产量。将木质素转化为可持续航空燃料的技术可行性的关键因素包括木质素结构、脱木质素程度、解聚性能以及稳定和可调的脱氧催化剂的开发。基于此，美国麻省理工学院Yuriy Román-Leshkov教授和美国国家可再生能源实验室的Gregg T. Beckham教授对木质素转化技术进行了回顾，同时综合评估了木质素制备可持续航空燃油(SAFs)的潜力。
图文解读
作者首先回顾了SAF的传统制备路径，并对相关化学物质、质量平衡、燃烧焓平衡等进行讨论。航空燃油主要由四种成分构成：正烷烃(15-25%)、异烷烃(20-55%)、环烷烃(20-45%)和芳烃(4-25%)。由于木质素本身的芳香结构和烷基结构，木质素可被用于生产芳烃和环烷烃成分的碳氢化合物。由木质素衍生分子制备SAFs可以显著改善SAFs的密封膨胀特性；混合后的分子由于环烷烃和芳烃含量高，能量密度更易达到要求；木质素富含的芳烃可以改善石蜡化合物的介电常数和密度比等参数。
作者随后对制备SAFs的木质素性质，来源等影响进行讨论。木质素转化为航空燃油主要影响因素依赖于木质素的萃取和解聚技术。针对于木质素提取方法(有机溶剂提取、稀酸溶剂、稀碱溶剂)和木质素解聚方法(氧化解聚、还原催化降解RCF、醛/二醇辅助RCF)等进行了详细讨论。氧化解聚产生的碳数在C7-C8之间，更适用于商业化学品的制备，不适用于 SAFs的制备；RCF过程可以产生具有C1-C3侧链的H、G、S单体，但取决于芳基醚键的丰度和端基含量；醛/二醇辅助RCF可以产生更高焓产量的产品。
同时，对木质素来源的分析发现，原料的差异于能量保留值的相关性较大，其中C-木质素的焓保留趋势较高，理论保留率接近100%，实际可达84-91%.
不仅如此，作者还分析了RCF过程中装置(间歇式、连续式)对SAFs制备的影响，氢供体形式(H2、溶剂供氢、自供氢)对SAFs制备的影响。
随后，作者进一步对木质素衍生生物油经加氢脱氧反应(HDO)制备SAFs的相关研究进行了进一步探讨。对木质素衍生生物油的脱氧途径(直接脱氧和间接脱氧)进行讨论，两种路径的不同主要取决于催化剂的类型和反应条件。催化剂的脱氧活性是关键因素，同时，对催化剂的设计也是影响反应的重要因素(载体性质、金属的亲氧性)。
模型和真实原料之间的反应性差异虽然已经广泛研究，通过木质素的模型化合物了解HDO的机理也已取得了一定进展，但了解与真实木质素衍生生物油相关的催化剂和工艺性能还需进一步的研究。木质素模型物与真实原料反应活性的差异可能由官能团空间效应和电子效应的差异引起。除了吸附效应外，增加的催化剂失活也会导致模型化合物和木质素底物之间的反应性差异。作者又对真实木质素条件下的催化剂失活问题进行了进一步探讨。
之后，作者通过分析真实条件和理论上木质素制备SAFs的差异性，提出了一个用于工业化实现木质素制备SAFs的工艺流程图，指出了之后重要的研究方向和工艺改进路径，以期改善现有的生物质炼制工艺，实现从木质素到SAFs的制备。
最后，作者对木质素制备SAFs现有技术进行总结，并提出了几点以后的研究方向。
1、原料的选择和分离：开发高效的C-C键裂解技术；开发C-木质素这种可解聚、能量密度高的原料；采取高效的木质素分离方法。
2、木质素的提取和解聚：实现木质素的完全脱除；开发低工作压力下的溶剂体系；氢供体的选择；选择易分离的溶剂体系。
3、产物综合利用：对解聚副产物进行再利用；废气产物的回收和利用。
4、催化剂的设计：开发具有选择性的催化剂；提高催化剂的耐受性和可再生性。
总结
作者详细讨论了木质素转化技术和转化为可持续航空燃油(SAFs)的潜力，对木质素制备SAFs的相关化学物质、质量平衡和燃烧焓平衡进行了详细的总结，并提出了一个基于木质素制备SAFs的还原解聚的生物质炼制的概念框架。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-024-02024-6
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