ZnO-ZrO2/纳米HZSM-5串联催化剂催化CO2/CO直接加氢制备异构烷烃汽油的研究

本研究针对CO2减排与可持续燃料生产需求，开发了ZnO-ZrO2/纳米HZSM-5串联催化剂（OX/ZEO），通过优化酸/金属（A/M）比例（1:1）和双功能（BF）构型，在50 bar、420°C条件下实现COx转化率27.9%、汽油收率21.3%，产物中异构烷烃占比70%且无芳烃，为绿色汽油生产提供了高效催化方案。

　　

随着全球气候变化加剧，二氧化碳（CO₂）的捕获与资源化利用成为研究热点。传统化石燃料的消耗不仅导致CO₂排放激增，还面临能源安全挑战。尽管甲醇合成技术已较为成熟，但其热力学限制（高温下平衡转化率低）和两段式工艺的复杂性制约了CO₂直接转化为高附加值燃料的效率。此外，现有催化体系对汽油馏分的选择性调控不足，难以满足低环境影响的燃料需求。

为解决这些问题，研究人员开发了一种新型串联催化剂，将甲醇合成催化剂ZnO-ZrO₂（ZZ）与纳米级HZSM-5沸石（nH371）结合，通过单步工艺实现CO₂/CO（CO_x）直接加氢制汽油。研究聚焦于催化剂构型（物理混合PM vs. 双功能BF）和酸/金属比例（A/M）的优化，最终在《Catalysis Today》发表了突破性成果。

关键技术包括：1）共沉淀法制备ZnO-ZrO₂催化剂；2）纳米HZSM-5沸石的酸性调控；3）N₂吸附-脱附（BET/BJH法）和NH₃-TPD表征；4）高压固定床反应器（50 bar, 420°C）评价性能；5）微色谱分析产物分布。

3.1 催化剂表征
通过BET测试发现，BF催化剂因压片过程导致比表面积（133 m²/g）和微孔体积（0.025 cm³/g）显著低于PM催化剂（221 m²/g, 0.054 cm³/g），但NH₃-TPD显示其酸强度分布更温和，有利于抑制副反应。

3.2 酸/金属比例影响
A/M=1时达到最佳平衡：CO_x转化率25.2%，C₅₊选择性80%。过量沸石（A/M>1）不提升转化率，而低比例（A/M=0.5）则因酸性位不足限制甲醇转化。

3.3 催化剂构型对比
BF构型虽因压片损失部分孔隙率，但金属/酸性位点纳米级 proximity 使CO_x转化率提升至27.9%，汽油收率达21.3%。产物中C₅-C₆异构烷烃占比70%，且几乎无芳烃，显著优于物理混合PM催化剂。

结论与意义
该研究首次证实了ZnO-ZrO₂/纳米HZSM-5双功能催化剂的工业潜力：通过缩短活性位点距离克服了热力学限制，同时纳米沸石的扩散优势与适中酸性协同抑制了裂解和芳构化反应。所得汽油符合航空燃料与炼厂调和要求，为CO₂规模化制绿色燃料提供了新策略。未来结合绿氢技术，该工艺有望成为碳中和能源体系的关键环节。