张书南/王慧ACS Catalysis: 反相结构KFeZr串联催化高效合成可持续航空燃料

第一作者：张若楠

通讯作者：张书南、王慧

通讯单位：上海科技大学2060研究院、中国科学院上海高等研究院

论文DOI：10.1021/acscatal.6c04887

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近日，上海科技大学2060研究院张书南/王慧研究团队，在二氧化碳加氢合成可持续航空燃料领域取得研究进展。研究团队构筑了反相结构的KFeZr双功能串联催化剂，实现了将CO2高效转化为航空煤油馏分范围（C8–C16）的碳氢化合物。该反相结构以高分散ZrO2纳米畴锚定Fe相表面，诱导强Fe–Zr相互作用，稳定最佳物相组成（Fe5C2/Fe3O4≈ 1.2），并使界面位密度较常规催化剂提升约3.2倍；与HZSM-5耦合后，航空燃料馏分选择性提升22%。更值得关注的是，研究团队发现CO可作为“氢泵”调控分子筛内氢转移，促进脱氢环化与芳构化；在原料气中引入CO后，目标馏分选择性最高达39.7%。这一“反相结构设计+中间体介导氢调控”协同策略，有望为高选择性合成航空燃料提供新的界面工程思路，也为CO2资源化利用与航空业深度脱碳开辟了可行路径。相关成果以“Boosting CO2-to-Aviation Fuel Fraction over an Inverse Structured KFeZr Tandem Catalyst”为题，发表于《ACS Catalysis》杂志。

背景介绍

民用航空仍高度依赖石油基航空煤油，已成为全球CO2排放增长最快的来源之一。为此，全球航空业提出了2050年净零碳排放的雄心目标，发展可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）成为关键抓手。在ASTM D7566标准所列技术路线中，Power-to-Liquid（PtL）——即以CO2和H2为原料合成SAF——被学术界与工业界共同视为实现航空脱碳的重要路径。在众多PtL路线中，Fe基催化剂/分子筛双功能催化体系因碳效率高而被广泛研究。其基本思路是：Fe基催化剂上先生成C2–C4轻烯烃中间体，轻烯烃再扩散进入分子筛孔道，经低聚、环化等反应“升级”为C8–C16的航空燃料馏分。

然而，这条“串联反应链”并不顺畅：一方面，Fe基催化剂在反应条件下易演化为FeO、Fe3O4、χ-Fe5C2、θ-Fe3C、Fe7C3等多物相混合，导致目标轻烯烃收率下降；另一方面，分子筛孔道内轻烯烃扩散受限，氢物种管理失衡（过度加氢、氢转移失控）等问题，使SAF馏分选择性难以突破。文献中传统Fe–Zr体系的SAF选择性通常不超过30%。

本文亮点

1.逆结构KFeZr实现界面位点密度倍增

不同于传统“Fe负载在ZrO2上”的正置构型，研究团队构筑了高分散ZrO2纳米畴锚定于Fe相表面的反相结构，诱导强Fe–Zr电子相互作用，稳定最佳物相组成（Fe5C2/Fe3O4≈ 1.2）。该构型不仅物理钝化过度链增长位点、抑制积碳，还显著富集界面氧空位，使界面位密度较常规催化剂提升约3.2倍，为CO2高效活化与轻烯烃中间体生成提供了充足活性界面。

2.串联耦合与合成优化协同突破选择性瓶颈

将反相结构KFeZr与HZSM-5串联后，航空燃料馏分（C8–C16）选择性较常规构型提升22%；进一步采用有机燃烧法减小Fe物种晶粒、缩短颗粒内扩散距离，界面位密度再提升约1.8倍，实现轻烯烃“生成—升级”动力学匹配。在优化反应条件下，目标馏分选择性最高达39.7%，产物以芳烃为主，展现出面向可持续航空燃料的高应用潜力。

3.发现CO“氢泵”调控分子筛氢转移新机制

机理研究表明，CO不仅是逆水煤气变换的产物，更是串联过程中的关键中间体：其在分子筛内交替供氢/受氢，维持氢转移平衡，促进脱氢环化与芳构化，从而将轻烯烃高效“升级”为航空燃料馏分。向原料气中引入CO可进一步抬升选择性，为中间体介导的氢调控与高性能双功能催化剂设计提供了新范式。

图文解析

图1. 新鲜催化剂的结构表征：物相、形貌与粒径

要点：

1.物相与形貌：XRD显示不同Fe/Zr比新鲜催化剂均以α-Fe2O3为主相；HAADF-STEM与EDS元素映射直观呈现Fe、Zr分布。

2.逆结构雏形：KFeZr(20/1)中Zr高度分散于Fe相表面，HRTEM可见细小晶粒与丰富界面，为反应中形成逆结构奠定基础。

3.织构优势：BET比表面积与平均粒径统计表明，富Zr样品颗粒更小、比表面更大，有利于暴露活性界面。

图2. 还原态催化剂的物相演化与局域配位

要点：

1.还原物相：XRD表明还原后主要为金属Fe，且随Fe/Zr变化出现细微差异，为后续碳化提供前驱。

2. Fe局域结构：Fe K-edge EXAFS/XANES显示Fe–Fe配位与近边特征随组成改变，反映Fe–Zr电子相互作用。

3. Zr近原子分散：Zr K-edge EXAFS中Zr–Zr散射信号显著弱化，证实Zr以近原子级分散锚定在Fe表面，而非形成大块ZrO2。

图3. CO2加氢催化性能与产物分布

要点：

1.单相催化：在H2/CO2=3/1、320 °C、3 MPa下，Fe/Zr=20/1时CO2转化率为45.3%、C2–C4烯烃选择性为38.2%、CO选择性仅7.9%。

2.串联火山型：与HZSM-5(27)耦合后，SAF选择性随Fe/Zr呈火山型变化，KFeZr(20/1)峰值达32.6%，较常规构型提升约22%。

3.碳数迁移：产物碳数分布由C11向C8移动，表明逆结构抑制过度链增长，更贴近航空燃料馏分。

图4. 反应后催化剂的物相与界面重构

要点：

1.物相平衡：Mössbauer定量显示KFeZr(20/1)达到Fe5C2/Fe3O4 ≈ 1.2的平衡组成，耦合RWGS与FTS。

2.界面生成：Zr表面偏析形成约4 nm ZrO2纳米颗粒锚定Fe相，HRTEM与EDS映射给出高密度界面（最高277.0 μmol site m-2）。

3.结构抗性：逆结构抑制非晶碳壳层生长，抗积碳与抗氧化能力优于常规KFe与KFeZr(2/1)。

图5. CO共进实验与“氢泵”机制（原刊Figure 8）

要点：

1. CO并非终产物：OC催化剂串联后CO被显著消耗且SAF选择性最高，说明CO参与下游转化而非简单脱附。

2. “氢泵”机制：示意图表明CO在HZSM-5内交替供氢/受氢，平衡脱氢环化（DHC）与氢转移，促进芳构化。

3.性能印证：共进CO使C5+选择性升至73.9%，10% CO时SAF选择性达39.7%；烯烃原料对照中芳烃占比升至62%。

总结与展望

本工作成功构筑了反相结构的KFeZr催化剂，并与HZSM-5组成高效串联体系，实现了CO2向航空燃料馏分（C8–C16）的高选择性转化。强Fe–Zr相互作用原位生成高分散ZrO2纳米畴，既平衡了Fe物相组成，又物理钝化过度链增长位点，带来高界面密度与丰富界面氧空位；通过减小Fe物种尺寸还可使界面位密度进一步翻倍，加速轻烯烃中间体向分子筛的扩散。结合原位谱学与催化评价，作者揭示了CO作为“氢泵”平衡分子筛内氢转移的新机制。逆结构设计与中间体介导氢调控的协同，使SAF馏分选择性最高达39.7%。该策略为设计高性能CO2加氢双功能催化剂提供了清晰的界面工程思路与可操作的合成路径。

文献信息

Ruonan Zhang, Shunan Zhang,* Hui Zhan, Hangqing Lin, Haozhi Zhou, Hu Luo, Xiaofang Liu, Lin Xia, and Hui Wang*

Boosting CO2-to-Aviation Fuel Fraction over an Inverse Structured KFeZr Tandem Catalyst

ACS Catalysis, 2026. DOI: 10.1021/acscatal.6c04887

https://doi.org/10.1021/acscatal.6c04887

作者介绍

张书南，2022年于中国科学院大学获博士学位，同年加入上海科技大学2060研究院，历任助理研究员、副研究员。主要致力于CO2加氢制备高值化学品及多相催化剂的设计与开发。迄今主持国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金面上项目、上海市“晨光计划”及鄂尔多斯市科技突围“揭榜挂帅”重大项目课题等多项课题。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Catal.、Appl. Catal. B: Environ.等国际期刊上发表论文10余篇。

王慧，上海科技大学2060研究院助理院长，中国科学院上海高等研究院研究员、博士生导师，中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室副主任。主要从事碳资源化利用及碳循环应用基础研究及其技术开发，作为负责人先后承担科技部、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院A 类先导、上海市科委重点、中海油等能源头部企业研发横向项目等多项研究工作。以第一或通讯作者在Nat. Commun.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew.、Chem、、National Science Review等期刊发表60 余篇文章，申请发明专利60 余项，获授权35 项，专利转化6项。作为技术负责人率先完成5000 吨/年绿色甲醇合成工业示范并正在开展工业化应用。曾获“壳牌（shell）中国优秀科研成果奖”一等奖，张江国家自主创新示范区杰出创新创业人才、入选东方英才计划领军项目、中科院青促会、第十五届国际二氧化碳利用青年科学家奖。

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