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经济生产木质素基航空燃料（LJF）可以提高可持续航空燃料（SAFs）的可持续性，并可以减少总体温室气体排放。然而，挑战在于将技术木质素聚合物从生物炼制中直接转化为连续操作的航空燃料。在这项工作中，我们首次在连续流反应器中使用设计的Ru-HY-60-MI催化剂演示了碱玉米秸秆木质素（ACSL）的同时解聚和加氢脱氧（SDHDO）工艺，以生产木质素基喷气燃料。LJF的最大产碳率为17.9 wt%，其中单环烷烃为60.2 wt%，多环烷烃为21.6%。Ru-HY-60-MI的催化剂表征表明，经过催化剂工程处理后，HY分子筛的结构和结晶度没有明显变化。SDHDO实验后进行的催化剂表征表明，催化剂中存在碳和K含量。废催化剂中K含量的存在是由于K+离子在木质素溶液和HY-60之间交换，而碳的存在证实了催化剂表面的SDHDO化学反应。α级燃油性能测试表明，采用SDHDO化学方法制备的飞机用液体燃料具有相容性高、密封性好、排放低、能量密度高的特点。
背景介绍
随着全球对化石燃料依赖的减少和环境保护意识的增强，寻找替代能源成为当今科学研究的热点之一。在众多生物质资源中，木质素作为植物细胞壁的重要组成部分，因其丰富的芳香族化合物而受到广泛关注。木质素的转化不仅能够为可再生能源的生产提供新的途径，还能有效减少温室气体排放。然而，木质素的复杂结构和高分子量使其转化过程充满挑战，传统的转化方法往往效率低下，产品选择性差。因此，研究者们开始探索催化转化技术，特别是加氢脱氧反应（HDO），以提高木质素转化为喷气燃料的效率和产率。催化剂的设计与优化在这一过程中扮演着关键角色，金属催化剂与酸性催化剂的协同作用被认为是提升反应性能的重要因素。综上所述，本文旨在探讨木质素的催化转化机制及其在可持续航空燃料生产中的应用潜力，为未来的研究和开发提供理论基础和实践指导。
文章要点
1、木质素的解聚和HDO…
本研究采用同步脱聚和加氢脱氧（SDHDO）反应技术对木质素进行转化，以生产液体喷气燃料（LJF）。木质素的来源为玉米秸秆，采用NREL的方法进行处理，使用稀碱（0.1 mol/L NaOH）进行脱乙酰化和机械精炼。经过处理后的木质素显示出约80%的不溶性固体含量，表明木质素的分离过程有效。通过对木质素的化学组成进行分析，发现其主要结构由单木素通过醚键和碳-碳键相互连接，分离过程中木质素的结构发生了显著变化（见表S1和S2）。这种结构的变化对于后续的反应过程至关重要，因为它影响了木质素的反应性和最终产品的性质。
在SDHDO中，木质素的脱聚过程与加氢脱氧过程是同步进行的，这意味着在反应的不同阶段，木质素的分解和氢气的加入是同时发生的。这种方式不仅提高了反应的效率，还减少了副产物的生成。研究表明，反应的选择性和产率与反应条件密切相关，特别是温度和催化剂的选择。
2、产物分析…
对从SDHDO反应中获得的总液体产品进行了详细的产品分析。通过醋酸乙酯提取有机相，并使用气相色谱-质谱（GC-MS）技术对样品进行定性和定量分析。GC分析采用DB-5毛细管柱，程序升温从40℃升至280 ℃，确保了广泛的挥发性化合物的分离（见图2）。在分析过程中，结合NIST库对分离出的化合物进行识别，并通过二维气相色谱（GC×GC）进一步分析烃类的组成，确保了结果的准确性和可靠性。
分析结果显示，反应生成的液体产品中包含多种化合物，包括烷烃、烯烃和芳烃等。特别是，生成的芳烃类化合物具有良好的燃料特性，能够满足喷气燃料的需求。这些结果表明，SDHDO反应能够有效地将木质素转化为高价值的液体燃料，为可持续航空燃料的开发提供了新的思路。
3、 反应条件的影响…
反应条件对SDHDO过程的影响显著。实验结果表明，反应温度、压力和进料流量是影响反应效率的关键因素。在低温条件下，能够有效保持木质素中的甲氧基基团，提高液体产品中的碳含量。研究发现，225 ℃被认为是有效的C-O-C键断裂温度，能够促进木质素的有效转化。随着温度的升高，反应的完全性得以提升，在250 ℃时获得的清洁烃类液体的碳产率达到17.9%（见图3），表明高温有助于加速加氢脱氧反应的进行。
此外，反应压力的增加也有助于提高反应的产率。高压条件下，氢气的溶解度增加，从而促进了加氢反应的进行。实验结果显示，在适当的高压条件下，液体产品的产率和质量均有所提高。进料流量的变化也会影响反应的选择性，适当的流量能够保证反应的稳定性，避免反应过快导致的副产物生成。
4、 产物分布…
通过对液体产品的分布进行分析，结果显示主要生成了单环烷烃和少量单环芳烃，且C12+的多环烷烃数量显著（见图4和图5）。这种产品分布表明催化剂在去氧化反应中的快速能力优于氢化反应，能够有效促进木质素转化为高价值的液体燃料。进一步的分析显示，生成的烃类产品具有良好的燃料特性，符合喷气燃料的标准。
具体而言，产品中烷烃的比例较高，表明反应条件能够有效促进烷烃的生成。与此同时，芳烃类化合物的存在也为喷气燃料的性能提供了保障。研究还发现，随着反应时间的延长，液体产品的组成发生了变化，初期生成的轻烃逐渐被重烃取代，这一现象与反应的动力学特性密切相关。
通过以上各部分的分析，本文揭示了木质素转化为喷气燃料的潜力，并为后续的催化剂设计和反应条件优化提供了重要的数据支持。这些结果不仅为木质素的高效利用提供了理论依据，也为可持续航空燃料的开发奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同催化剂的性能，以及优化反应条件以提高产品的选择性和产率。
论文相关信息
文章信息：
Adarsh Kumar，David C. Bell，et al. A simultaneous depolymerization and hydrodeoxygenation process to produce lignin-based jet fuel in continuous flow reactor. Fuel Processing Technology 263 (2024) 108129.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2024.108129
供稿：牛馨艺
编辑：曹凯浩 厉亚昭
审核：纪娜 刁新勇 张胜波 胡宏远
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