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該技術(shù)由李寧研究員、中國(guó)科學(xué)院院士張濤團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)完成。據(jù)李寧介紹，將農(nóng)林廢棄物中的纖維素轉(zhuǎn)化為高密度航空燃料，特別是制備出同石油路線具有相同組分的高密度航空燃料具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義，一方面可在相同油箱容量下顯著增加飛行器航程和載荷，助力航空飛行器領(lǐng)域的科技進(jìn)步;另一方面也可為我國(guó)數(shù)量眾多的農(nóng)林廢棄物發(fā)掘更高價(jià)值的利用方式。
研究團(tuán)隊(duì)在纖維素制備航空燃料領(lǐng)域進(jìn)行了多年的科研攻關(guān)。2019年，研究人員首次采用兩步法成功將纖維素轉(zhuǎn)化成航空燃料的主要成分——聚環(huán)烷烴燃料。他們先將纖維素高效轉(zhuǎn)化為2,5-己二酮，再將后者轉(zhuǎn)化為具有支鏈結(jié)構(gòu)的聚環(huán)烷烴燃料。兩步的碳產(chǎn)率分別為71.4%和74.6%，得到的燃料密度高、凝固點(diǎn)低。該工藝路線進(jìn)行微調(diào)還可以選擇性地生產(chǎn)出甲基環(huán)戊烷，用作添加劑提高汽油的辛烷值。“但是該燃料與目前我國(guó)航空業(yè)使用的燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，需要試飛實(shí)驗(yàn)后才能使用，這也阻礙了上述工藝路線的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。”李寧介紹說(shuō)。
以此項(xiàng)研究為基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出新的雙功能催化劑，并以2,5-己二酮自身羥醛縮合產(chǎn)物3-甲基-2-環(huán)戊烯酮為原料，發(fā)展出纖維素轉(zhuǎn)化制甲基環(huán)戊二烯的新策略。他們首先將纖維素轉(zhuǎn)化為3-甲基-2-環(huán)戊烯酮，隨后在鋅—鉬氧化物催化劑上選擇性加氫脫氧直接生成甲基環(huán)戊二烯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3-甲基-2-環(huán)戊烯酮在氣相加氫脫氧過(guò)程中，部分還原的鋅—鉬氧化物催化劑在碳—碳雙鍵存在下優(yōu)先與碳—氧雙鍵發(fā)生相互作用，并高選擇性的形成二烯產(chǎn)物甲基環(huán)戊二烯，碳收率為70%。與最近國(guó)內(nèi)外學(xué)者報(bào)道的3-甲基-2-環(huán)戊烯酮先選擇性加氫后脫水制甲基環(huán)戊二烯的兩步過(guò)程相比，直接加氫脫氧技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、操作步驟少、能耗低等優(yōu)勢(shì)，也為不飽和酮直接轉(zhuǎn)化制共軛二烯開(kāi)辟了一條新路徑。
另外，甲基環(huán)戊二烯除了可用作航空燃料外，還可用于生產(chǎn)汽油抗爆劑、環(huán)氧樹(shù)脂固化劑及染料添加劑等。目前，甲基環(huán)戊二烯主要從石油裂解焦油的副產(chǎn)物中制取，收率僅為0.7千克/噸，價(jià)格卻超過(guò)7萬(wàn)元/噸，這極大地限制了它的應(yīng)用。因此，探索低成本、較高收率的生物質(zhì)合成路線具有重要意義。
李寧進(jìn)一步介紹說(shuō)，雖然目前反應(yīng)的碳收率已經(jīng)達(dá)到70%，遠(yuǎn)高于石油路線，但研究團(tuán)隊(duì)仍計(jì)劃對(duì)反應(yīng)催化劑性能等進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到更高的碳產(chǎn)率和更低的成本。
我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有豐富的農(nóng)林廢棄物資源。將這些廉價(jià)易得的農(nóng)林廢棄物轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的超級(jí)燃料，一直是科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。
木質(zhì)纖維素作為農(nóng)林廢棄物的主要成分，是一種豐富的可再生資源，其原料成本低廉、來(lái)源廣泛、不與人爭(zhēng)糧、不與糧爭(zhēng)地，是合成航空生物燃料的理想原料。木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維和木質(zhì)素三部分構(gòu)成，其中纖維素的比例最大。
近年來(lái)，用木質(zhì)纖維素生產(chǎn)可再生航空燃料備受關(guān)注，但迄今為止，大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都集中在采用木質(zhì)纖維素平臺(tái)化合物生產(chǎn)常規(guī)航空煤油上，生產(chǎn)過(guò)程繁瑣。因此，發(fā)展高度集成的方法，在溫和條件下合成航空生物燃料顯得尤為重要。
