ORNL复合催化剂有望实现成本效益高的乙醇-喷射工艺

一个足够为飞机提供燃料的电池会非常重。氢的能量密度仅为航空燃料的四分之一(而且贵许多倍)，但需要机载大型复杂的储气罐。为了大幅减少排放，美国商业航空部门将需要制造可持续航空燃料(SAF)的新方法。

成熟的、具有成本竞争力的乙醇市场提供了一个机会，使航空燃料和其他燃料产品的成分摆脱石油。美国能源部的能源效率和可再生能源办公室(EERE)生物能源技术办公室(BETO)专注于利用可再生生物质开发工业上可行的燃料，包括国家实验室努力生产与现有飞机系统兼容的滴入式生物燃料。

Ethanol-to-jet

在第一步多步ethanol-to-jet-fuel过程由美国能源部的ORNL开发的一种催化剂被用来将乙醇转化为富含丁烯的C3+烯烃，这是一种重要的中间体，可以加工成航空燃料。另外两个步骤——低聚化和加氢处理——将这些中间产物转化为用作燃料的液态碳氢化合物。

ORNL的Zhenglong Li领导了一个团队，致力于改进目前将乙醇转化为C3+烯烃的技术，并展示了一种独特的复合催化剂，该催化剂颠覆了目前的做法，降低了成本。这项研究发表在一篇题为《原位氢催化Zn-Y / β和单原子合金复合催化剂上乙醇直接价化c3 +-烯烃生成选择性丁烯在杂志上ACS催化．

目前有两个挑战阻碍了转换技术的广泛应用:低烯烃产量和高生产成本。此外，最近的转换方法需要额外的氢，这是另一个成本负担。底线?升级乙醇的成本需要大幅降低，才能与石油竞争。

李的任务是重新制定标准工艺，在不增加氢气的情况下高产出C3+烯烃。当研究在这一步中起作用的较小反应时，李的团队将注意力集中在一个潜在的解决方案上。

当我们认为这是一个过程时，从化学的角度看，有几个基本步骤。在第一步中，我们内部产生氢——我们能在下游需要的地方使用低浓度的氢而避免使用额外的氢吗?要做到这一点，我们需要开发新的催化剂;李正龙博士解释说，目前的标准无法在相对较高的温度下实现这种转换。

新型复合催化剂

该团队开发并测试了一种复合催化剂——锌钇(Zn-Y) β催化剂与一种单原子合金催化剂结合。包括李的合著者劳伦斯·阿拉德博士在内的橡树岭国家实验室的材料科学家率先使用了单原子催化剂，并于2011年推出化学性质篇名为《Pt1/FeOx单原子催化CO氧化”。

单原子合金用于低温选择性氢化反应，但在此类高温还原反应中的应用尚未见报道。我们也知道这些分子很容易被过度氢化，这是不可用的。李博士说，关键在于调节反应过程中生成的氢和丁二烯的比例。

该工艺是成功的:复合催化剂在无外部氢的情况下实现了乙醇与C3+烯烃反应，并改变了产率。

李博士说:“我们在94%的乙醇转化中达到了78%的选择性，这是文献中报道的最高水平。”

这项研究是首次将这些催化剂结合在一起，并为这些材料的工作原理提供了新的基础认识。李的团队将进一步推进这项技术。

我们将继续优化这个过程，以实现更大的催化剂选择性和更高的烯烃收率。航空工业需要能量密集的液态烃燃料。李正龙博士表示，这种新的催化剂技术是通过乙醇转化实现可再生、可持续航空燃料的重要一步。

这项研究的合著者包括俄勒冈州国家实验室的Michael Cordon, Junyan Zhang, Stephen Purdy和Kinga Unocic博士。其他合作者包括普渡大学的杰弗里·米勒;甚至是Wegener, Mingxia Zhou, Rajeev Assary, Theodore Krause, Jeremy Kropf和Ce Yang, Argonne国家实验室;林凡，王华民，西北太平洋国家实验室;以及美国马里兰大学(University of Maryland)的刘东霞(Dongxia Liu)。

本研究由BETO赞助，通过多实验室生物能源化学催化联盟进行。显微技术是在纳米相材料科学中心进行的，该中心是美国能源部科学办公室的用户设施，由美国能源部基础能源科学计划支持，并与先进催化剂合成和表征项目合作。

这项研究使用了先进光子源的资源，这是能源部科学办公室在阿贡国家实验室的用户设施。UT-Battelle管理着美国能源部科学办公室的ORNL，该办公室是美国物理科学基础研究的最大单一支持者。