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面對(duì)“碳達(dá)峰、碳中和”的國家戰(zhàn)略，航空運(yùn)輸業(yè)要實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放的目標(biāo)仍然面臨挑戰(zhàn)。上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李智課題組和章躍標(biāo)課題組開展合作研究，在金屬有機(jī)框架（MOF）固體酸-金屬串聯(lián)催化呋喃類和環(huán)醚類生物基分子的精準(zhǔn)加氫脫氧反應(yīng)中取得進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了從一系列生物基分子到單一結(jié)構(gòu)高碳數(shù)烷烴的定向轉(zhuǎn)化，有望定制高能效、低排放、碳中和的可持續(xù)航空燃料，助力航空運(yùn)輸行業(yè)能源綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)。
航空運(yùn)輸業(yè)的碳排放目前占運(yùn)輸領(lǐng)域碳排放總量的10%(相當(dāng)于全球碳排放總量的2%左右)，其中79%來自于航空燃料。由生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的可持續(xù)航空燃料(Sustainable Aviation Fuel,SAF)可以取代傳統(tǒng)化石燃料，成為未來航空業(yè)降低碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和的首選方案。2021年10月，國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)通過了一項(xiàng)決議，要求全球航空運(yùn)輸行業(yè)在2050年實(shí)現(xiàn)零排放，預(yù)計(jì)到2050年全球SAF需求將達(dá)到4490億公升/年。日前，國務(wù)院發(fā)布了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，其中還明確指出：“……大力發(fā)展先進(jìn)生物液體燃料、可持續(xù)航空燃料等替代傳統(tǒng)燃油，提高終端燃油產(chǎn)品的能效。所以，發(fā)展精準(zhǔn)的合成化學(xué)，使具有特定結(jié)構(gòu)的燃料分子成為SAF在提高燃料利用率、控制尾氣排放、實(shí)現(xiàn)碳中和的一個(gè)重要發(fā)展方向。
精準(zhǔn)加氫脫氧(PHDO)反應(yīng)能在保持碳鏈不變的前提下，向單一結(jié)構(gòu)的烷烴分子轉(zhuǎn)化，避免了副反應(yīng)和混合產(chǎn)物，使燃料質(zhì)量得到進(jìn)一步改善。前一段時(shí)間李智研究組所使用的均相酸催化劑，雖然能實(shí)現(xiàn)高選擇性串聯(lián)反應(yīng)，但回收利用難度大、成本高；而固體酸催化劑的設(shè)計(jì)涉及酸性及氫化(金屬)位點(diǎn)的精細(xì)調(diào)控，是多相催化領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。利用遠(yuǎn)距離串聯(lián)催化技術(shù)，李智研究組和章躍標(biāo)研究組將酸性MOF材料MIL-101-SO3H與商業(yè)Pd/C催化劑進(jìn)行簡單機(jī)械混合。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一系列生物基含氧化合物的PHDO反應(yīng)，并成功制備出十余種結(jié)構(gòu)豐富的高碳烷類化合物，可作為SAF用途的烷烴最高純度可達(dá)99%。有關(guān)催化劑組合可經(jīng)簡單過濾循環(huán)使用，回收至少5種效果。它的巧妙之處是借助MIL-101-SO3H優(yōu)良的“親氧疏烯”特性和通暢的孔道環(huán)境，利用酸性-SO3H位點(diǎn)選擇性地活化含氧原料，將已完成脫氧反應(yīng)的烯烴中間產(chǎn)物從MOF孔道中遞出，輸送至Pd催化劑，避免了烯烴聚合、環(huán)化、異構(gòu)、裂解等副反應(yīng)。和相鄰的協(xié)同雙功能催化劑原理不同，這種正交結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)距離串聯(lián)設(shè)計(jì)更有利于通過簡單組合來優(yōu)化催化性能。
最近，相關(guān)研究成果在國際著名學(xué)術(shù)期刊《綠色化學(xué)》(GREENCHEMISTRY)上刊登了題為“Acidic metal?organic framework empowered precise hydrodeoxygenation of bio-based furan compounds and cyclic ethers for sustainable fuels”。 李智課題組2020屆博士畢業(yè)生劉東煌和章躍標(biāo)課題組2018級(jí)博士研究生賀海龍為論文共同第一作者，李智教授和章躍標(biāo)教授為論文共同通訊作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所鄭安民團(tuán)隊(duì)參與了MOF固體酸的酸性表征，上科大物質(zhì)學(xué)院分析測試中心為材料氣體吸附表征提供了重要的技術(shù)支持。該研究工作受到上海市科委“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”基礎(chǔ)研究領(lǐng)域項(xiàng)目和上?？萍即髮W(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的支持。
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