大连化物所演绎“科学魔法”：植物废料“变身”航空燃料丨CellPress对话科学家

农林植物枯萎之后的废料能用来做什么？引火取暖，制备沼气……最近中国科学院大连化学物理研究所的科研工作者们又成功实践了一个“变废为宝”的新方式：将农林废弃物转化为高密度航空燃料！而且，这一创新有望减少飞机和火箭的二氧化碳排放。这项研究于3月21日发表在Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊Joule（《焦耳》）上。

纤维素作为农林废弃物的主要成分，是构成植物细胞壁的一种廉价、可再生且非常丰富的聚合物。虽然以纤维素为原料合成航空煤油链烷烃（如支链辛烷、十二烷、十六烷）在国际上已有报告，但中科院大连化物所此次发表的研究首次报道了以纤维素为原料合成更加复杂的多环烷烃，而这些多环烷烃可以被用作高密度先进航空燃料。

针对该研究的主要亮点及商业化前景，Cell Press邀请本文通讯作者之一的李宁研究员接受了专访。

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大连化学物理研究所研究员，同时也是该论文通讯作者之一的李宁认为，这种新的生物燃料将有助于航空燃料变得更加绿色环保。他说：“我们的生物燃料对二氧化碳减排是非常重要的，这有两方面的原因：首先，该燃料是由生物质为原料合成的，具有二氧化碳中性的特点；其次，该燃料比传统的航空燃料具有更高的密度。众所周知，使用高密度燃料可以在不改变飞机油箱体积的前提下有效地提高飞行器的航程和载荷，这将有助于进一步减少二氧化碳的排放。”

为了合成该燃料，李宁和他所在的张涛院士团队首先将纤维素通过氢解反应选择性地转化为2,5-己二酮。他们采用反应分离的方法将氢解反应产生的副产物—5-甲基糠醛转化为2,5-己二酮，而原先产物中的2,5-己二酮保持不变，从而获得了71%的2,5-己二酮分离收率。该方法不仅解决了氢解产物中2,5-己二酮与5-甲基糠醛沸点接近不易分离的问题，还将2,5-己二酮产率又进一步提高了5%。最后，他们以用氢气和小麦秸秆纤维素制备的2,5-己二酮为原料获得最终产物：一种碳链长度为12和18的低凝固点多环烷烃的混合物。该混合物的密度比常规航空煤油高10%。该燃料最大的神奇之处就是它的密度。它既可以作为现有高密度航空燃料的替代品，也可以作为添加剂改善其它航空燃料的效率。

尽管目前该研究工作尚处于实验室小试阶段，李宁和他所在的张涛院士团队相信该合成过程具有原料纤维素廉价易得、工艺简单、能耗成本较低等优势。这意味着它很有可能在不久的将来被商业化。同时，他们也预计生产该燃料的利润会高于常规的航空生物燃料，因为该技术能以较低的成本获得具有更高附加值的高密度航空燃料。

关于李宁研究员

李宁，1976年出生于新疆阿克苏。1997年和2000年于吉林大学化学系获得学士和硕士学位。2004年于中科院大连化学物理研究所获得博士学位，师从张涛院士从事甲烷选择还原氮氧化物的研究工作。2005年-2008年在法国国家科研中心（CNRS）博士后奖学金、欧盟第六框架玛丽-居里奖学金International Incoming Fellowship资助下在里昂催化与环境研究所做博士后，主要从事有机污染物的氧化消除研究。2008年-2010年于美国马萨诸塞大学化学工程系George W. Huber研究组做博士后，主要从事生物质加氢脱氧合成液体燃料的研究工作。2010年9月作为“所百人计划”引进人才加入大连化学物理研究所航天催化与新材料研究室张涛院士课题组。主要从事以木质纤维素为原料合成航空生物燃料的研究。迄今为止，已在SCI收录的国际刊物上发表论文80余篇。

作者专访

Cell Press：您的团队最初是如何想到用廉价植物废料开发航空燃料的？

李宁研究员：目前，国内外航空生物燃料研究普遍面临的一个重要瓶颈就是成本问题。采用廉价易得、不可食用的原始生物质原料合成可再生航空生物燃料是解决这个问题的一个可行方案。本文作者所在的中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队在纤维素催化转化合成能源化学品，以及以木质纤维素平台化合物为原料合成航空生物燃料方面有着丰富的经验和大量前期工作积累，这是我们选择采用纤维素作为合成航空煤油原料的主要原因。

Cell Press：您认为纤维素作为高密度航空生物燃料原料的最大优势是什么？

李宁研究员：纤维素作为农林废弃物的主要成分，是构成植物细胞壁的一种廉价、可再生且非常丰富的生物聚合物。使用纤维素作为合成高密度航空生物燃料的原料具有原料成本低、来源广阔、“不与人争粮、不与粮争地”的优势。

Cell Press：此项研究历时了多久？期间是否遇到了一些难题，是如何攻克的？

李宁研究员：该研究工作历时约一年半的时间。期间遇到的最大的难题就是2,5-己二酮和5-甲基糠醛的分离问题。由于这两种化合物的沸点非常接近，很难通过蒸馏等简单过程予以分离。为了解决这个问题，我们采用反应分离的办法。通过催化剂设计和反应条件的控制实现了在保证氢解产物2,5-己二酮不反应的前提下选择性地将纤维素氢解反应副产物5-甲基糠醛转化为2,5-己二酮。这样不仅解决了2,5-己二酮和5-甲基糠醛的分离问题，还将2,5-己二酮的收率提高了5%，明显提高了该过程的可行性。

Cell Press：您认为该过程实现商业化应用还需多久？还要做哪些优化改进？

李宁研究员：我认为该过程的商业化至少还需要3~5年时间。目前面临的最大问题就是在纤维素通过氢解反应获得2,5-己二酮需要使用二氯甲烷作为有机溶剂，而该溶剂被认为对环境和健康有害。在我们接下来的工作中，我们将继续探索采用可再生且环境友好的溶剂替代二氯甲烷。同时，由于传质、传热方面的原因，工业化过程和实验室过程会有很大的差异。在未来研究中，我们还需要探索催化剂制备以及反应工艺的放大，最终实现该过程的工业化。

Cell Press：请介绍一下您团队下一步的研究计划。

李宁研究员：在接下来工作中，我们将探索使用环境友好的有机溶剂替代2,5-己二酮。与此同时，我们还将开发以2,5-己二酮为原料合成其它燃料和能源化学品的研究。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊Joule上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Integrated Conversion of Cellulose to HighDensity Aviation Fuel

论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30085-6

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.02.005

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