植物油加氢制备可再生生物航空煤油新型催化剂的设计和机理研究

The main objective of this project is to study the catalysts and mechanism of bio-aviation fuel production from hydrogenation of vegetable oil. Specifically, we will carry out the design and mechanism studies of the catalysts using in two-step and one-pot reaction processes for bio-aviation fuel production. (1) the hydrodeoxygenation (HDO) and catalyst life can be greatly enhanced by the design of anti-hydrothermal stability, particle size controlling, and functional design and control preparation of the support; (2) the design and mechanism studies of hydroisomerization and cracking catalyst by the introduction of framework metal ion into molecular sieve, which was used to adjust the acid strength and acidic sites for obtaining the highest yield of bio-aviation fuel; (3) the one-pot process catalyst will be prepared based on the two-step catalyst, regulating hydrothermal stability and hydroisomerization and cracking simultaneously for obtaining the standard bio-aviation fuel; (4) to study the reaction pathway and mechanism of hydrodeoxygenation, hydroisomerization and cracking reactions.

本项目的基本思路是以植物油催化加氢制备生物航煤反应为研究体系。针对于高含氧量蓖麻油为主的植物油两步法和一步法生物航煤催化剂进行创新设计和机理研究。（1）通过对催化剂活性中心抗水热稳定性，可控的纳米金属粒径的控制，载体的功能化设计和调控制备，大幅度提高催化剂加氢脱氧活性和寿命；（2）设计第二步生物航煤专属加氢异构和裂化催化剂，通过引入杂原子进入分子筛骨架从而调控载体酸强度和酸性位点，得到最高航煤收率；（3）结合两步法催化剂的设计，总结规律提出一步法加氢脱氧，加氢异构和裂化催化剂，同时调控水热稳定性和异构化裂化活性，从而设计催化剂一步直接得到符合标准的生物航煤；（4）通过对反应机理的系统研究，得到不同催化剂的反应机理，为进一步设计高效催化剂提供理论和数据支持。

生物航煤是以动植物油脂为原料采用催化加氢等技术生产的航空煤油。生物航煤主要由C9～C16的烷烃组成，成分与常规石油基喷气燃料类似，并具有较好的低温发动机启动性能及润滑性。相比较于传统航煤，生物航煤可实现减排二氧化碳55%-92%，其组成结构和石油基航空喷气燃料相似，可满足航空器动力性能和安全要求，不需更换发动机和燃油系统，具有很高的环保优势。研究开发生物航煤的意义在于（1）减少温室气体 CO2 的排放以及缓解碳税争端。（2）生物航煤无硫、氮、芳烃等有害物质，减少燃烧后对空气产生的污染。开发生物航煤已被公认为航空业实现碳减排目标的根本途径。. 本项目中，我们主要研究了以蓖麻油为原料两步法和一步法制备生物航煤两种反应的催化剂、反应机理和构效关系。分别对加氢脱氧、加氢异构和裂化所需的催化剂载体进行了改性和调控，通过调整载体水热稳定性和酸强度来调整裂化反应的比例，从而大幅提高了航煤组分的选择性。此外，还通过制备系列不同中强酸含量的Ni-SAPO-11和多级孔道的Ni-SAPO-11分子筛，有效减少了催化剂积碳，提高了催化剂稳定性。针对一步法制备生物航煤的催化剂，我们通过引入系列硅烷偶联剂（KH-550, KH-560和KH-570）得到了不同孔道尺寸以及疏水性的多级孔道的SAPO-11和NiSAPO-11并负载了NiMo双金属从而得到孔道结构、酸强度可控的多级孔道分子筛催化剂。通过各种表征手段初步揭示了催化剂活性中心和分子筛酸性位点之间关系，考察了骨架中金属离子与负载的零价金属之间的协同效应。. 该项目目前拥有14项中国授权发明专利，2项美国授权发明专利，正在申报东南亚，欧洲等多国专利。截止目前，该项目生产的生物燃油样品，已经在中石油研究院、中石化科学研究院、中国空军油料所、美国航空管理局（FAA）、中国民航局检测中心等多个检测机构进行油品质量检测。最新的检测报告证明南开大学研发的生物航空煤油通过了中国民航局测试中心的全项检测，指标全部合格。课题团队目前正在与多家单位商谈开展项目融资和工业化应用的具体事宜。以上取得的研究成果和技术突破，为生物航空煤油的应用研究打下了很好的基础，为相关领域的研究人员提供了很好的研究理论基础。