基于填隙金属化合物的新型-高效生物航煤催化材料的设计及机理研究

The main objective is to study the catalysts and mechanism of bio-aviation fuel production from hydroprocessing of methyl palmitate. Specifically, we will carry out the design and mechanism studies of interstitial compounds for bio-aviation fuel production. We hope to obtain highly efficient catalysts by the systematic study. Including, (1) the design and mechanism studies of hydrodeoxygenation catalysts; (2) the design and mechanism studies of hydroisomerization and cracking catalyst for bio-aviation fuel production; (3) the studies of the reaction pathway and mechanism of hydrodeoxygenation, hydroisomerization and cracking reactions.

本项目的基本思路是以棕榈酸甲酯催化加氢制备生物航煤反应为研究体系。针对基于填隙金属化合物的新型-高效生物航煤催化剂进行创新设计和机理研究。通过对催化剂活性中心和载体的功能化设计和调控制备，大幅提升加氢脱氧催化剂的活性和稳定性，提升生物航煤专用加氢异构和裂化催化剂的选择性、活性和稳定性；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。具体包括：（1）加氢脱氧催化剂的设计及机理研究；（2）生物航煤专用加氢异构和裂化催化剂的设计及机理研究；（3）棕榈酸甲酯加氢脱氧、加氢异构和裂化反应机理的研究。

生物航空煤油（生物航煤）就是以动植物油脂或农林废弃物等生物质为原料生产的航空煤油，在不需要对发动机做任何改进的前提下，可在航空煤油中大比例的添加使用（50%）。生物航煤的研发对我国航空业减排、根治雾霾、维护能源安全等都有重要作用，是当前国家急需解决的重大科学难题之一。.本项目中，我们以棕榈酸甲酯催化加氢制备生物航煤反应作为研究体系。以棕榈酸甲酯为原料分两步反应工艺来合成生物航煤：（一）棕榈酸甲酯的催化加氢脱氧；（二）加氢脱氧油的进一步加氢异构和裂化。分别针对这两步反应中所需的催化剂进行了创新设计和反应机理研究。通过对催化剂活性中心和载体的功能化设计和调控制备，大幅提升了加氢脱氧催化剂的活性和稳定性，提升了制备生物航煤专用加氢异构和裂化催化剂的选择性、活性和稳定性；发现了催化剂的表面组成结构与加氢反应活性、目标产物选择性之间的构效关系。.通过硅烷偶联剂中的巯基实现了对镍离子的分散作用，同时硅烷偶联剂中的碳链也能够起到软模板的作用，减弱了活性组分在烘干和焙烧过程中的团聚问题。此外，我们实现了在已经合成的负载型磷化物催化剂的表面，在不影响磷化镍活性相的前提下，采用原子层沉积（ALD）技术实现了载体表面路易斯酸性位点的原子层级可控构建。该方案不但能够防止催化剂中活性相在加氢反应中的烧结和团聚，同时对催化剂的酸性实现了可控调控，大幅提升了加氢脱氧油的异构化和裂化反应效果。此外，我们系统研究了高活性的填隙型双金属合金NixW催化剂，得到NixW的最佳合成条件和生成机理。它不同于传统的硫化物催化剂（WS2或MoS2作为主要活性相，Ni作为助剂的作用很弱），其活性中心主要是Ni，通过可控掺杂和沉积少量的W，改变了Ni的晶体结构和粒径分布，从而大幅提升了催化剂的低温加氢活性。.以上取得的研究成果和技术突破为加氢脱氧、异构化和裂化催化剂的设计提供了一个很好的策略，为相关领域的研究人员提供了很好的研究理论基础。