综述：利用二氧化碳（CO?）合成可持续航空燃料的机理途径与催化剂结构方面的最新进展

《Sustainable Chemistry for Climate Action》：Recent Advances in Mechanistic Pathways and Catalyst Architecture for the Synthesis of Sustainable Aviation Fuel from CO 2

CO?通过催化途径转化为可持续航空燃料（SAF）的研究进展，包括间接途径（如水煤气变换反应和费托合成）与直接途径（如电解法）的机理、催化剂设计及反应条件优化，并分析商业化现状与挑战。

　　随着全球对可持续能源需求的不断增长，碳排放问题成为各国政府和科研机构关注的焦点。碳排放，尤其是二氧化碳（CO?）的大量释放，已成为导致全球气候变暖的重要因素之一。航空业作为碳排放的重要来源之一，正在寻求更加环保的燃料替代方案，以减少对环境的影响并满足未来的燃料需求。其中，可持续航空燃料（SAF）的开发和应用，被视为一种“一举两得”的策略，既能有效应对环境挑战，又能满足航空业当前的燃料需求。本文旨在系统探讨目前在CO?催化转化路径中的最新进展，包括催化机制、催化剂设计及其对CO?转化为SAF效率和选择性的影响，同时对这些技术在商业化应用中的必要性和未来发展趋势进行分析。

### 一、可持续航空燃料的背景

二氧化碳的排放主要来源于工业活动、化石燃料燃烧以及不科学的农业实践。这些活动不仅增加了大气中的CO?浓度，还导致了温室气体的累积，从而加剧了全球变暖。据研究显示，CO?是导致全球变暖的主要温室气体之一，对全球气候变化的影响约占60%。自工业革命以来，大气中的CO?浓度已经显著上升，目前超过了427 ppm，比工业化前高出50%以上。航空业作为能源消耗和碳排放的重要行业，其排放占全球CO?排放的2-3%。为了实现2050年净零碳排放的目标，航空业正在探索可持续航空燃料作为减少碳排放的重要手段。SAF通常是一种基于航空燃料的燃料，可以作为传统航空燃料的环保替代品，具有与现有航空发动机和燃料系统兼容的优点。

### 二、CO?转化为SAF的催化路径

在CO?转化为SAF的过程中，通常采用两种主要路径：间接路径和直接路径。间接路径主要包括通过**逆水煤气变换反应（RWGS）**生成合成气（CO + H?），然后利用**费托合成（FTS）**将合成气转化为液态燃料。直接路径则是通过**CO?电解**或**直接氢化**生成长链碳氢化合物。这两种路径各有优劣，间接路径已经较为成熟，而直接路径则处于研究阶段，具有更高的环境友好性和经济性。

#### 1. 间接催化路径：RWGS + FTS

在间接路径中，CO?首先通过RWGS反应转化为CO，这一过程需要高温条件，通常在600°C以上。RWGS反应是吸热反应，因此需要较高的能量输入。然而，由于CO?的惰性，这一反应在低温条件下容易生成甲烷（CH?）和固体碳，导致选择性下降。因此，优化催化剂设计以提高CO选择性并减少甲烷生成，是这一路径研究的关键。

RWGS反应通常使用金属氧化物催化剂，如Pt、Pd、Cu、Rh、Au、Ni等，它们在不同的反应条件下表现出不同的CO选择性。例如，Cu/ZnO/SBA-15催化剂在500°C和3/1的H?/CO?气流比下表现出99.9%的CO选择性。此外，CeO?、Al?O?、TiO?等氧化物也常被用作催化剂载体，以提高反应效率和选择性。

在RWGS生成的CO基础上，Fischer-Tropsch合成（FTS）反应可以进一步将CO和H?转化为长链碳氢化合物，如航空燃料所需的C?–C??范围的烃类。FTS反应通常在200–350°C的温度下进行，采用铁基或钴基催化剂，以获得高选择性和良好的反应效率。例如，Fe-Ni-CeAl催化剂在500°C的温度下表现出超过50%的CO?转化率和超过40%的CO选择性。

#### 2. 直接催化路径：CO?电解和氢化

直接路径通过CO?的直接电解或氢化反应，生成长链碳氢化合物。其中，CO?电解是一种重要的方法，能够将CO?转化为C?或C?的中间产物，如CO、甲酸盐（HCOO?）等，随后这些中间产物在多步反应中耦合，生成更长的碳链燃料。然而，这一路径的复杂性和低选择性仍然是主要的挑战。

另一种直接路径是通过CO?的氢化反应，直接生成长链碳氢化合物。这一过程通常使用**双功能催化剂**，例如Fe-Mn-K催化剂，通过氢化和链增长反应，将CO?转化为C?–C??范围的航空燃料。研究表明，Fe-Mn-K催化剂在300°C和1 MPa的条件下，能够实现47.8%的CO?转化率和17.2%的航空燃料选择性。此外，通过引入碱金属如钠（Na）或钾（K）作为促进剂，可以显著提高CO?转化率并减少甲烷生成。

#### 3. 酒精路径（ATJ）

另一种重要的转化路径是**酒精到航空燃料（ATJ）**。该路径首先将CO?转化为甲醇（CH?OH）或乙醇（C?H?OH），随后通过脱水、聚合和氢化反应，生成航空燃料所需的长链碳氢化合物。这一路径在工业中已被广泛应用，尤其在利用生物质、脂肪和工业废弃物生产SAF方面。例如，通过**ZnCr?O?/Sbx-H-ZSM-5**双功能催化剂，可以实现CO?转化为C?–C??范围的碳链产物，其选择性高达63.5%。

此外，**直接氢化**方法也被广泛研究，以实现CO?的直接转化。例如，通过使用Fe-Mn-K催化剂，可以实现CO?向航空燃料的直接转化，而无需中间步骤。这种催化剂在240°C和3 MPa的条件下表现出较高的选择性和转化率。

### 三、催化机制与催化剂设计

CO?转化为SAF的催化机制涉及多个步骤，包括CO?的吸附、活化、氢化以及链增长等。其中，催化剂的结构和组成对其性能有重要影响。例如，Cu基催化剂在RWGS反应中表现出较高的CO选择性，而Fe基催化剂在FTS反应中则能够生成更长的碳链。同时，碱金属如K和Na的引入可以改善催化剂的性能，提高CO?的转化率和选择性。

在催化剂设计方面，研究者们普遍关注如何提高催化剂的活性、选择性和稳定性。例如，通过使用**金属-有机框架（MOFs）**、**碳纳米纤维（CNFs）**和**活性炭（AC）**等作为载体，可以优化催化剂的表面性质，提高其对CO?的吸附能力。此外，通过调控催化剂的**金属-载体相互作用**，可以改善其对CO?氢化反应的催化性能。

### 四、商业化进展与挑战

目前，全球范围内已有几家公司在尝试将CO?转化为SAF的商业化生产。例如，德国的**Atmosfair gGmbH**在柏林建立了第一个工业规模的CO?到航空燃料的生产设施，利用可再生能源和环境中的CO?进行生产。该工厂于2021年10月开始运营，每年可生产365吨的合成航空燃料，具有“CO?中性”的特点，即在燃烧过程中排放的CO?与之前捕获的CO?量相等。

另一个重要的项目是荷兰的**Synkero项目**，该项目计划在2027年建成一个年产能达5万吨的SAF生产工厂，利用可再生能源和CO?进行生产。此外，壳牌公司（Shell）也在德国和美国分别规划了年产能达10万吨和43.4万吨的SAF生产设施。

尽管这些项目在技术上取得了一定进展，但商业化过程中仍面临诸多挑战。首先，CO?的捕获和储存成本较高，限制了其大规模应用。其次，催化剂的稳定性和选择性仍然是关键问题，特别是在高温和高压条件下，催化剂容易失活或生成副产物。此外，生产SAF所需的能源和原料成本也较高，影响了其经济可行性。

### 五、未来展望

为了推动CO?转化为SAF的广泛应用，未来的研究应重点关注以下几个方面：

1. **催化剂优化**：开发具有更高选择性和稳定性的催化剂，以减少副产物的生成并提高CO?的转化率。这包括对催化剂结构、组成和表面性质的深入研究。

2. **反应条件调控**：优化反应温度、压力和气体比例，以提高CO?转化效率并降低能耗。例如，研究低温条件下如何减少甲烷生成，同时保持较高的CO选择性。

3. **多步骤耦合反应**：探索将RWGS和FTS等步骤耦合，以提高整体转化效率和选择性。同时，开发更高效的双功能催化剂，实现CO?的直接转化。

4. **绿色氢气生产**：由于SAF生产依赖于绿色氢气（H?），因此如何高效、低成本地生产绿色氢气也是未来研究的重要方向。

5. **工业应用推广**：推动SAF在航空业的广泛应用，包括与现有航空燃料基础设施的兼容性、生产成本的降低以及政策支持的加强。

### 六、结论

综上所述，CO?转化为SAF是一个具有前景的技术，能够在减少碳排放的同时满足航空业的燃料需求。目前，间接路径（RWGS + FTS）和直接路径（CO?电解、氢化）均取得了一定进展，其中间接路径已经较为成熟，而直接路径仍需进一步优化。未来的研究应致力于开发更高效的催化剂，优化反应条件，并推动SAF在航空业的商业化应用。此外，绿色氢气的生产、催化剂的稳定性以及政策支持等也是实现CO?转化为SAF的关键因素。通过这些努力，有望在未来的航空燃料市场中实现可持续发展的目标。