从现在到 2050 年，喷气机燃料的消耗量预计将翻一番，而国际航空业已承诺在 2050 年实现碳中和。许多团体都将飞机使用 100% 的可持续碳氢化合物燃料作为目标，但都没有取得很大成功。部分挑战在于航空燃料受到严格管制。

"麻省理工学院罗伯特-T-哈斯拉姆化学工程教授 Yuriy Román-Leshkov 说："这是一类对燃料的化学和物理性质有非常特殊要求的燃料，因为你不能冒险让飞机发动机出问题。

航空燃料是两大类化合物的组合。其中约 75% 到 90% 是由 "脂肪族 "分子组成，这种分子由碳原子连接在一起的长链组成。"罗曼-莱什科夫解释说："这与我们在柴油燃料中发现的情况类似，因此是一种典型的碳氢化合物。剩下的 10% 到 25% 由 "芳香 "分子组成，每个芳香分子至少包括一个由六个相连碳原子组成的环。

在航空燃料中，必须保留一些芳香族分子，因为它们决定了整个混合物的必要物理和燃烧特性。它们还执行着另一项重要任务： 它们能确保飞机燃料系统中各部件之间的密封性。

"芳烃会被塑料密封件吸收并使其膨胀，"Román-Leshkov 解释说。"如果燃料因某种原因发生变化，密封件也会随之变化，这是非常危险的。

因此，芳烃是一种必要成分，但也是制造 SAF 的绊脚石。公司知道如何利用植物的不可食用部分和其他可再生能源来制造脂肪烃部分，但他们还没有开发出一种经认可的方法来利用可持续来源制造芳香烃部分。

在过去的五年里，了解和解决SAF问题一直是罗曼-莱什科夫和他的麻省理工学院团队--迈克尔-斯通博士（Michael L. Stone PhD '21）、马修-韦伯（Matthew S. Webber）等人--以及华盛顿州立大学、国家可再生能源实验室（NREL）和西北太平洋国家实验室的合作者们的研究目标。

他们的研究重点是木质素，这是一种坚韧的材料，能为植物提供结构支撑，保护植物免受微生物和真菌的侵害。生物质中约有 30% 的碳存在于木质素中，然而当生物质生成乙醇时，木质素却作为废品被遗留下来。

"Román-Leshkov说："每年都有数百万吨废弃木质素被作为低级燃料焚烧、用作肥料或直接扔掉。

将木质素转化为 SAF 的芳香部分的关键在于将 "大分子 "分解成小块，同时在此过程中去除所有氧原子。

大多数工业流程开始时都会发生化学反应，从而阻碍了木质素的后续升级： 从生物质中提取木质素时，其中的芳香族分子会相互反应，连接在一起形成坚固的网络，无法进一步反应。因此，木质素不再用于制造航空燃料。

为了避免这种结果，罗曼-莱什科夫和他的团队采用了另一种方法： 他们使用催化剂诱导在提取过程中通常不会发生的化学反应。通过让生物质在钌基催化剂的作用下发生反应，他们能够去除生物质中的木质素，并生产出一种名为木质素油的黑色液体。这种产品化学性质稳定，也就是说，其中的芳香分子不会再相互反应。

在成功打破原始木质素大分子后，研究小组需要找到一种去除氧原子的方法。他们需要选择性地断开碳-氧键，以释放氧原子；他们需要避免在芳香环中加入非碳原子（例如，发生所有化学转化时必须存在的氢气原子）；他们还需要保留分子的碳骨架，即连接剩余芳香环的一系列相连碳原子。

最终，Román-Leshkov 和他的团队找到了一种可以实现这一目的的特殊成分：碳化钼催化剂。

为了在实验室中测试他们的方法，研究人员首先设计并建造了一个专门的 "滴流床 "反应器，在这种化学反应器中，液体和气体都会向下流经由催化剂颗粒组成的填料床。然后，他们从白杨树中获取生物质，白杨树是一种被称为 "能源作物 "的树木，因为它生长迅速，不需要大量肥料。

根据对杨树生物质木质素油的一系列实验，研究人员确定了产生最佳结果的操作条件： 第一步为 350 摄氏度，第二步为 375 摄氏度。在这些优化条件下，形成的混合物以目标芳香族产物为主，其余部分包括少量其他喷气燃料脂肪族分子和一些剩余的含氧分子。催化剂在生成超过 87%（按重量计）的芳香分子时保持稳定。

为了检查他们的产品，罗曼-莱什科夫和他的团队将样品送到华盛顿州立大学，那里有一个专门测试燃料的燃烧实验室。对样品成分和特性的初步测试结果令人鼓舞。根据样本的成分和已公布的预筛选工具和程序，研究人员对样本进行了初步的性质预测，结果看起来不错。例如，凝固点、粘度和阈值油烟指数预计将低于常规航空芳烃的值。

研究人员正在继续研究他们的混合物样品在不同温度下的表现，特别是它们在执行关键任务（浸入和膨胀喷气发动机内部的密封件）时的表现。

此外，他和他的团队还在与 NREL 的合作者一起扩大他们的方法。NREL 拥有生产大量新型可持续混合物所需的大型反应堆和其他基础设施。基于迄今为止取得的可喜成果，该团队希望为喷气燃料认证所需的进一步测试做好准备。除了对燃料样品进行测试外，完整的认证程序还要求在运行中的发动机中展示燃料的性能--"不是在飞行中，而是在实验室中"，Román-Leshkov 解释说。

罗曼-莱什科夫和他的同事们目前正在探索将他们的方法用于其他类型的生物质，包括松树、开关草和玉米秸秆（玉米收获后留下的叶子、茎秆和棒子）。但他们对杨树生物质的研究结果很有希望。Román-Leshkov 说："如果进一步的测试证实他们的芳烃产品可以取代现在喷气燃料中的芳烃，那么'混合墙'就会消失。"我们将有办法用可再生材料生产航空燃料中的所有成分，从而有可能生产出100%可持续的航空燃料。

这项研究最初由生物能源创新中心（Center for Bioenergy Innovation）资助，该中心是美国能源部（DOE）的一个研究中心，由能源部科学办公室生物与环境研究办公室支持。最近，能源部生物能源技术办公室和埃尼公司（Eni S.p.A.）通过麻省理工学院能源计划提供了资助。Michael L. Stone 博士 21 岁，现为斯坦福大学化学工程博士后。马修-韦伯（Matthew S. Webber）是罗曼-莱什科夫小组的研究生，目前正在美国国家可再生能源实验室实习。

(本文刊载于麻省理工学院能源计划杂志《能源未来》2023 年春季号）。