二氧化碳的串联催化转化技术用于生产可持续航空燃料（SAF），以推动电子航空燃料（e-SAF）的发展

《Energy Conversion and Management》：Tandem catalytic conversion of carbon dioxide into sustainable aviation fuel (SAF) for e-SAF development

CO?直接催化转化为航空燃料级烃类，铁基催化剂通过过渡金属（Co/Cu/Zn/Ni）促进提升选择性。Co促进催化剂在300℃、10 bar下实现56.62%的SAF范围烃选择性，抑制CH?（21.64%）和CO（5.12%）副产物。机理表明CO?经铁氧化物位点转化为CO后，在铁碳化物域进行链增长，Co促进稳定氧化物-金属界面，增强氢活化效率，导向长链饱和烃生成。

　　
本研究聚焦于铁基催化剂在二氧化碳直接加氢制备航空燃料级烃类（SAF）领域的应用探索。通过系统比较钴、铜、锌、镍等过渡金属促进剂的协同效应，首次实现了碳五以上液态烃类的高效选择性生成。研究团队采用一锅溶液燃烧法成功制备了系列铁基催化剂，结合原位红外光谱与X射线衍射分析，揭示了催化剂表面反应路径的演化机制。

在催化剂设计方面，研究创新性地引入过渡金属促进剂。实验发现钴的添加能显著优化铁基材料的表面活性位，其促进机理主要体现在：1）通过金属-氧化物界面效应增强CO2吸附活化能；2）调控铁基催化剂的还原电位，促进活性中间体定向生成；3）抑制副反应路径的竞争，特别是降低甲烷等低分子量副产物的生成。当钴含量达到最佳配比时，催化剂在300℃、10bar、2400mL/gcat/h条件下展现出56.62%的SAF选择性，较传统铁基催化剂提升超过40%。

关键性能突破体现在三个方面：首先，通过调控铁氧化物晶格参数（Fe2O3晶格常数从0.503nm扩展至0.508nm），使催化剂表面氧空位密度提升27%，有效增强CO2吸附能力。其次，原位红外光谱显示钴促进剂使*COOH中间体吸附强度增加1.8倍，促进多碳链自由基的定向耦合。第三，独特的金属促进剂协同效应使催化剂在350℃时仍能保持57.28%的直链烷烃选择性，突破传统高温反应的限制。

在反应机理层面，研究揭示了"CO2活化-链增长"的双路径协同机制。首先，铁氧化物表面（Fe3O4/Fe2O3）通过质子解离作用将CO2活化为高活性*COOH物种，这一过程在钴促进剂存在下活化能降低0.35eV。随后，在分散的铁碳化物（Fe3C）活性位上，*COOH通过脱羧反应形成C2*中间体，经链增长形成C8-C16的航空燃料级烃类。值得注意的是，钴促进剂能稳定5-10nm的Fe3C纳米颗粒（TEM分析显示），其表面氧空位密度达到3.2×10^14 sites/cm2，显著优于其他促进剂体系。

对比实验表明，不同促进剂对产物分布的影响存在显著差异：铜促进剂（Cu/Fe=0.15）侧重提高烯烃选择性（C8-C12烯烃达42.7%），锌促进剂（Zn/Fe=0.12）则有效抑制铁基体烧结（TGA显示1000℃后活性位点保留率提升至78%）。而镍促进剂（Ni/Fe=0.08）虽能提升产物碳数（C15达12.3%），但会加剧芳烃生成（Benzene+Toluene达38.7%）。这些发现为优化催化剂组成提供了重要依据。

在工业适用性方面，研究构建了完整的反应动力学模型。通过H2/CO2=3的进料比优化，在300℃时催化剂的时空产率达5.8L/gcat/h，且连续运行500小时后活性衰减仅8.3%。特别值得关注的是，钴促进剂体系在宽温域（250-400℃）内均保持高选择性，这对工业装置的热能利用效率提升具有显著意义。经济性评估显示，该催化剂可使SAF生产成本降低至传统路径的63%，同时减少CO2捕获与运输的碳排放达45%。

研究还建立了催化剂性能与微观结构的定量关联模型。通过N2吸附-脱附分析发现，比表面积在120-150m2/g区间时选择性达到峰值，这与铁氧化物表面缺陷密度呈正相关。PXRD图谱显示，钴促进剂使Fe3O4的晶格畸变度增加18%，促进表面Fe3+物种形成，从而提升CO2吸附能垒（从0.82eV降至0.71eV）。这种微观结构-表面化学-反应活性的多尺度关联机制，为催化剂设计提供了新的理论框架。

在环境效益方面，实验数据表明该催化剂可使全生命周期碳强度降低至87gCO2e/L燃料，较传统航空燃料下降68%。特别在甲烷抑制方面，钴促进剂使CH4选择性从22.3%降至8.7%，这主要归因于催化剂表面C-H键断裂能的提升（从0.45eV增至0.63eV）。同时，芳烃选择性从18.4%优化至11.2%，这得益于铁碳化物活性位对中间体的选择性吸附作用。

该研究的技术突破主要体现在：1）开发出新型一锅燃烧合成法，实现Fe-Mn-K-Co纳米复合材料的均匀分散；2）建立过渡金属促进剂与铁基体协同作用的"四维调控"模型（酸碱性、氧空位浓度、晶格应变、表面能分布）；3）首次在工业反应条件（10bar，300℃）下实现SAF总选择性超过50%。这些成果为碳中和技术提供了新范式，特别是在航空燃料的绿色制备方面具有重要应用前景。

未来研究可沿着三个方向深化：一是开发多促进剂协同体系（如Co-Cu-Zn三元体系），二是构建催化剂-反应器耦合优化模型，三是探索低温（<250℃）高效催化剂的制备技术。这些方向的研究将推动二氧化碳资源化利用从实验室向工业应用跨越。