沸石负载铁-钼碳化物纳米催化剂将生物原油升级为可持续航空燃料的创新研究

为解决食品废弃物转化可持续航空燃料(SAF)缺乏认证工艺的难题，研究人员开发了沸石负载Fe-Mo2C/ZSM-5纳米催化剂，实现生物原油完全脱氧（氧含量降至0 wt%），获得高热值(46.5 MJ/kg)的SAF前体，其碳数分布(C8-C16)与航空燃油标准高度匹配，为湿废物资源化提供了非贵金属催化新方案。

　　

航空业实现碳中和面临巨大挑战，传统航空燃料依赖化石资源且碳排放高，而氢能等替代方案存在安全性和能量密度不足的问题。可持续航空燃料(SAF)因其可直接兼容现有航空基础设施，被视为中短期内最可行的解决方案。然而，当前SAF原料主要来自植物油和糖类，面临与粮争地、转化工艺复杂等瓶颈。食品废弃物作为未被充分利用的资源，通过水热液化(HTL)可转化为生物原油，但其高氧含量和复杂组分阻碍了直接航空应用。

针对这一难题，国内研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表研究，开发了ZSM-5沸石负载的铁掺杂β相碳化钼(Fe-Mo₂C/ZSM-5)纳米催化剂。通过湿法浸渍和600°C碳化法制备的3纳米催化剂，在400°C、2200 psi氢压下实现生物原油完全脱氧，产物热值达46.5 MJ/kg（媲美Jet A的46.1 MJ/kg）。关键突破在于：沸石载体提升催化剂分散度，铁掺杂优化裂解活性，而Mo₂C的铂类似电子结构赋予高效HDO能力。

研究采用多尺度表征与性能测试结合的策略：XRD和HAADF-STEM确认β-Mo₂C纳米晶（3 nm）均匀分散；ICP-OES定量金属负载量；GC×GC分析碳数分布；TGA和MALDI-TOF-MS测定馏分特性。使用食品厂提供的沙拉酱废弃物（62%脂质）经HTL获得生物原油原料。

催化剂结构表征
XRD显示Fe掺杂使Mo₂C晶域尺寸从纯相的>30 nm降至3 nm（Scherrer方程），STEM-EDS证实Fe/Mo均匀分布。这种纳米结构暴露出更多活性位点，XPS显示表面存在金属态Fe⁰和Mo(II)，协同促进HDO反应。

生物原油升级性能
对比实验证明：无催化剂时脱氧率仅75%，而Fe-Mo₂C/ZSM-5使氧含量从6.74 wt%降至0，H/C比升至1.96。商业Mo₂C因颗粒过大（SEM显示>1 μm）完全失效。TGA显示150-230°C馏分占比显著提升，MALDI-TOF-MS测得C8-C16组分达59.4 wt%（Jet A为62.1 wt%）。

SAF前体验证
通过微型精馏装置获得SAF馏分（收率15 wt%），其平均碳数10.6接近航空燃油11.4。关键指标全部达标：表面张力<24 mN/m（22°C）、-40°C粘度优于标准、闪点符合航规。特别通过控制馏程上限230°C（低于航油260°C），规避了C14+正构烷烃导致的凝固点升高问题。

催化剂稳定性
重复使用3次仍保持100%脱氧率，XRD未检测到积碳，XPS显示表面Mo₂C结构稳定。尽管Fe物种部分氧化为Fe²⁺/Fe³⁺，但在反应体系中可原位再生。

该研究首次实现食品废弃物生物原油全组分航空燃料转化，突破传统依赖模型化合物（如油酸、愈创木酚）的局限，证实真实复杂体系的应用可行性。Fe-Mo₂C/ZSM-5的非贵金属特性大幅降低成本，23 wt%的废弃物-to-SAF收率具备产业化潜力。技术启示在于：通过精准控制馏分碳数分布（C8-C13为主）和纳米催化剂酸性位点，可兼顾SAF收率与低温性能，为湿废物炼制航空燃料提供了可扩展的工艺范式。