Bioresource Technology：木质素制备可持续航空燃料（SAF）研究进展

1. 文章来源：

本文内容来自Bioresource Technology发表的“Sustainable aviation fuel (SAF) from lignin: Pathways, catalysts, and challenges”(Online: 2025-01-04)

2. 文章DOI：

https://10.1016/j.biortech.2025.132039

3. 引用格式：

Lv, X., Zhao, C., Yan, N., Ma, X., Feng, S., & Shuai, L. (2025). Sustainable aviation fuel (SAF) from lignin: Pathways, catalysts, and challenges. Bioresource Technology, 419, 132039.

·研究背景·

可持续航空燃料（SAF）可有效降低航空业碳减排。木质素作为一种丰富的可再生资源，具有很大的潜力转化为航空燃料组分。它可以被解聚/或加氢脱氧（HDO）以产生C6-C9烷烃。然而，为了生产高密度SAF，木质素单体需要经历偶联、烷基化和烷基转移反应以将碳链延伸到C8-C16前体，然后可以通过HDO反应将其转化为适合于SAF的长链烷烃。本文综述了木质素及其衍生物转化为SAF级烃类燃料的最新研究进展。重点介绍了木质素基航空燃料的关键合成路线，包括单独使用木质素衍生物或与碳水化合物衍生化合物共反应的方法。综述了SAF合成中催化剂、反应温度和压力对反应机理、反应速率、产率和产物选择性的影响。此外，还介绍了SAF的物理化学性质，包括密度、能量、凝固点和粘度，并与TAF进行了比较。最后，讨论了目前木质素基SAF合成的局限性，指出了未来的挑战，并为木质素基SAF的工业合成和商业化建立了框架。

·图文导读·

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木质素制备SAF的策略

木质素转化为SAF级化合物涉及多个反应，包括生物质预处理、解聚、木质素加氢脱氧（HDO）。

图1. 木质素制备SAF的策略

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木质素模型化合物的HDO

木质素可以通过热解或氢解解聚以产生各种酚类化合物。由于木质素解聚产物的组成复杂且不均一，研究者通常从模型化合物的HDO开始，以了解木质素衍生分子的反应活性及其反应机理。

图2. (a)丁香酚在碳负载的铂、钯、Ru和Rh催化剂上的加氢氧化反应路径(b)4-丙基愈创木酚在RuCoWx/NC催化剂上加氢氧化的拟议反应路径

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木质素聚合物一锅法转化为SAF

直接催化加氢热解是一锅法木质素转化为航空燃料组分的有效方法。

图3. (a)从木质素中制备航空燃料组分 (b)由复合铜酸催化剂催化的废硫酸盐木质素制备航空燃料前体的报告

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木质素聚合物两步法转化为SAF

两步法是指在进一步脱氧或加氢脱氧之前，先将木质素预解聚成生物油。

图4. Ru/C还原催化分馏（RCF）木质素油HDO的概述示意图

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木质素衍生物与烯烃的烷基化反应

烯烃在SAF生产中用作烷基化剂，但它们的自聚合和催化剂失活倾向要求反应混合物中具有较高的芳烃浓度。

图5. 提出的将木质素转化为所需的航空（或柴油）燃料范围的烃的反应途径

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用木质素衍生物烷基化木质素衍生物

碳原子数在SAF范围内的二苯环化合物是制备高密度SAF的理想前驱体。木质素的芳族衍生物经历烷基化和烷基转移，然后进行HDO/氢化，可以生成饱和多环烷烃。

图6. (a)木质素馏分偶联反应生产航空燃料系列烃 (b)研究了Fe（24）Ni（6）-ZrO2催化剂上愈创木酚的HDO和烷基化反应

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木质素衍生物单体向SAF的烷基化

木质素衍生物的烷基化是一种有前途的提高SAF生产中烃类碳数的策略。

图7. (a)由生物质衍生的4-乙基苯酚和苯基甲烷合成高性能航空燃料混合物 (b)木质素衍生芳烃合成高密度燃料的路线

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木质素衍生物的烷基化

在HDO工艺中通过分子内环化反应制备三元环烷烃为提高燃料密度和性能提供了一条新途径。

图8. (a)从木质素衍生的芳族化合物合成高密度燃料的路线的报告 (b)烷基化反应机理

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木质素衍生物与糖衍生物的烷基化

烯烃价格的上涨和对SAF需求的增加促使研究人员探索基于生物质的可再生SAF。果糖、葡萄糖、山梨糖和阿洛酮糖等糖类可以被转化为5-羟甲基糠醛（5-HMF），然后5-HMF与溶剂甲苯反应生成5-（甲基）苄基呋喃-2-甲醛。

图9. (a)使用芳族含氧化合物和糠醇合成生物燃料 (b)由木质素衍生物和糠醛衍生物合成双环呋喃基苯基前体的报告 (c)从糠醛和愈创木酚开始的生物燃料生产方案的报告 (d)环戊醇和木质素油共转化为航空共混物的报告

·结论展望·

木质素作为全球储量最丰富的可再生资源之一，在高价值利用领域具有巨大潜力，尤其可通过解聚、烷基化和加氢脱氧（HDO）等工艺生产可持续航空燃料（SAF）组分。本文提出三种将木质素转化为SAF的通用策略：第一，以酚类衍生物为模型化合物，系统分析通过HDO从木质素单体及二聚体（C8-C16）生产SAF的反应路径，并对各类HDO催化剂进行综述比较；第二，深入探讨并评估SAF合成的一步法（直接HDO）与两步法（先将木质素转化为富含酚类单体的生物油再进行HDO）；第三，针对木质素单体碳链较短（C6-C9）难以制备高密度SAF的问题，提出碳链延长策略：通过木质素酚类单体自偶联、与烯烃偶联、或与纤维素/半纤维素衍生的糠醛类化合物偶联，生成C8-C16前驱体，再经HDO转化为SAF。本文进一步阐明关键反应步骤，对比三种策略的优劣与局限，并指出现阶段技术挑战与未来发展方向。

· 本期责任编辑 ·

王绍庆，山东理工大学副教授，山东省青创团队负责人，山东省科技专家库专家，硕士生导师。主要研究领域是木质素能源化高效清洁利用。目前主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国博士后科学基金等多项项目。首位/通讯发表SCI/EI收录论文19篇，申请/授权发明专利15件，合作出版中英文专著2部，获山东省科技进步二等奖1项。担任CEST、JAAP、燃料化学学报（中英文）等期刊青年编委/学术编辑。

Clean Energy Science and Technology (CEST)是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月，CEST正式确认被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！

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