生物基高密度航空燃料再添新成员

中化新网讯 1月13日，中国化工报记者在采访中国科学院大连化学物理研究所催化与新材料研究室研究员李宁时了解到，该所成功实现了由纤维素获得的3-甲基-2-环戊烯酮直接加氢脱氧合成甲基环戊二烯，甲基环戊二烯是合成高密度单组分先进航空燃料RJ-4的原料，此举标志着生物基高密度航空燃料家族再添一位新成员。

该技术由李宁研究员、中国科学院院士张涛团队开发完成。据李宁介绍，将农林废弃物中的纤维素转化为高密度航空燃料，特别是制备出同石油路线具有相同组分的高密度航空燃料具有重要的经济和社会意义，一方面可在相同油箱容量下显著增加飞行器航程和载荷，助力航空飞行器领域的科技进步;另一方面也可为我国数量众多的农林废弃物发掘更高价值的利用方式。

研究团队在纤维素制备航空燃料领域进行了多年的科研攻关。2019年，研究人员首次采用两步法成功将纤维素转化成航空燃料的主要成分——聚环烷烃燃料。他们先将纤维素高效转化为2,5-己二酮，再将后者转化为具有支链结构的聚环烷烃燃料。两步的碳产率分别为71.4%和74.6%，得到的燃料密度高、凝固点低。该工艺路线进行微调还可以选择性地生产出甲基环戊烷，用作添加剂提高汽油的辛烷值。“但是该燃料与目前我国航空业使用的燃料化学结构不同，需要试飞实验后才能使用，这也阻碍了上述工艺路线的工业化应用进程。”李宁介绍说。

以此项研究为基础，该团队开发出新的双功能催化剂，并以2,5-己二酮自身羟醛缩合产物3-甲基-2-环戊烯酮为原料，发展出纤维素转化制甲基环戊二烯的新策略。他们首先将纤维素转化为3-甲基-2-环戊烯酮，随后在锌—钼氧化物催化剂上选择性加氢脱氧直接生成甲基环戊二烯。实验结果表明，3-甲基-2-环戊烯酮在气相加氢脱氧过程中，部分还原的锌—钼氧化物催化剂在碳—碳双键存在下优先与碳—氧双键发生相互作用，并高选择性的形成二烯产物甲基环戊二烯，碳收率为70%。与最近国内外学者报道的3-甲基-2-环戊烯酮先选择性加氢后脱水制甲基环戊二烯的两步过程相比，直接加氢脱氧技术具有工艺简单、操作步骤少、能耗低等优势，也为不饱和酮直接转化制共轭二烯开辟了一条新路径。

另外，甲基环戊二烯除了可用作航空燃料外，还可用于生产汽油抗爆剂、环氧树脂固化剂及染料添加剂等。目前，甲基环戊二烯主要从石油裂解焦油的副产物中制取，收率仅为0.7千克/吨，价格却超过7万元/吨，这极大地限制了它的应用。因此，探索低成本、较高收率的生物质合成路线具有重要意义。

李宁进一步介绍说，虽然目前反应的碳收率已经达到70%，远高于石油路线，但研究团队仍计划对反应催化剂性能等进行优化，以期达到更高的碳产率和更低的成本。

我国是农业大国，拥有丰富的农林废弃物资源。将这些廉价易得的农林废弃物转化为高价值的超级燃料，一直是科学界关注的热点。

木质纤维素作为农林废弃物的主要成分，是一种丰富的可再生资源，其原料成本低廉、来源广泛、不与人争粮、不与粮争地，是合成航空生物燃料的理想原料。木质纤维素主要由纤维素、半纤维和木质素三部分构成，其中纤维素的比例最大。

近年来，用木质纤维素生产可再生航空燃料备受关注，但迄今为止，大多数生产过程都集中在采用木质纤维素平台化合物生产常规航空煤油上，生产过程繁琐。因此，发展高度集成的方法，在温和条件下合成航空生物燃料显得尤为重要。