《Bioresource Technology》：Strategies in Pore-Structure engineering of hierarchical zeolites for Bio-Jet fuel production via catalytic fast pyrolysis
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生物质转化为可持续航空燃料（SAF）需克服催化剂效率与稳定性问题。分级沸石通过引入次级孔（中孔/大孔）优化质量传递和酸位点分布，提升催化性能。合成方法包括自下而上和自上而下构建内源性分级孔隙，以及压片与涂层制备复合沸石。关键因素如前驱体组成、成孔剂类型及合成条件影响孔隙结构设计。分级沸石在SAF生产中的催化优势包括提高芳烃等目标产物选择性、增强脱氧效率及抗积碳能力。未来需进一步探索孔隙结构调控与催化性能的协同优化，为SAF工业化提供理论支撑和技术指导。
冯工|周同晓|魏静超|张瀚|金志恒|徐家琦|王邦达|蒋霞
四川大学碳中和未来技术学院，中国成都61006
摘要
航空业需要减少碳排放，这使得生物质衍生的可持续航空燃料（SAF）成为传统化石基喷气燃料的重要替代品。在各种生产路线中，基于沸石的催化快速热解（CFP）是将生物质转化为生物喷气燃料的关键技术，但传统的微孔沸石通常存在产物选择性差和失活速度快的问题。通过创建具有二级孔结构的沸石，可以有效优化质量传递和酸位分布，从而提高催化性能和稳定性。本文详细介绍了制备分级沸石的合成策略，包括自下而上和自上而下的方法来构建内在的分级孔结构，以及用于制造复合沸石的压实和涂层技术。进一步分析了前体组成、孔形成剂类型和合成条件等关键因素如何影响孔结构的工程化设计。此外，还回顾了分级沸石在木质纤维素生物质和微藻等原料的CFP中的催化性能，强调了它们在提高关键生物喷气燃料组分（如芳香烃）选择性、改善脱氧效率和增强抗焦性方面的显著优势。最后，概述了分级沸石的未来研究方向，旨在为通过生物质快速热解生产高效催化剂的合理设计提供理论见解和技术指导。
引言
航空业是全球交通运输中不可或缺但难以减排的部分，面临着满足日益增长的能源需求与实现深度脱碳的双重挑战。其碳排放增长速度超过了大多数其他运输方式（Wong等人，2024年）。在一切照旧的情况下，到2050年，航空业在全球二氧化碳排放中的占比可能从2.0%（2023年）上升到20%，其中约80%来自喷气燃料的燃烧（Luo等人，2024年）。因此，开发可行的基于燃料的航空业脱碳策略迫在眉睫。鉴于在航空领域应用电力和氢能仍存在持续挑战（Dabros等人，2018年），可持续航空燃料（SAF）被视为近期的主要解决方案，因为它可以与传统的石油基喷气燃料直接互换使用。国际航空运输协会（IATA）预测，SAF可以贡献高达65%的碳减排量，以实现航空业到2050年的净零碳排放目标（Saikia等人，2025年）。
在各种SAF生产技术中，催化快速热解（CFP）因其工艺简单、成本效益高和燃料质量好而受到广泛关注（Yildiz等人，2016年）。该技术将生物质的快速热解与原位催化升级相结合，通过避免热解蒸汽的中间冷凝步骤有效简化了工艺（Zhou等人，2011年）。具体而言，生物质首先被热解成含氧的挥发性化合物（如呋喃、醇、酮和酚），然后在催化剂的作用下转化为与石油基喷气燃料兼容的烃类。然而，生物质CFP仍处于试点阶段，催化剂性能是商业化的主要瓶颈（Liu等人，2020年）。理想的催化剂应能够选择性地脱氧并将活性氧合物转化为稳定的烃类。虽然已经研究了多种催化剂，但沸石因其可调的酸度、明确的孔结构和商业成熟度而备受关注（Rahman等人，2018年）。然而，传统的微孔沸石在生物质转化方面存在显著局限性（Perego等人，2017年）。它们的窄微孔阻碍了大分子（如丁香基芳香烃、左旋葡聚糖）的扩散，使反应主要局限于外部表面。这导致活性位点的利用率低，并促进了低价值副产物的形成（Liang等人，2021年）。此外，未转化的分子容易聚合形成焦炭，堵塞孔道、覆盖活性位点并加速催化剂失活（Shao等人，2016年）。因此，虽然微孔结构赋予了独特的形状选择性，但它限制了质量传递并缩短了催化剂寿命。为了推进通过生物质CFP生产SAF，迫切需要设计出能够结合高效质量传递和形状选择性的沸石。
分级沸石结合了次级“介观”或大孔与微孔，为解决这些限制提供了有希望的方案（Mardiana等人，2022年）。一般来说，引入的二级孔结构使沸石具备以下潜力：（i）提高晶内扩散速率；（ii）减少大分子的空间阻碍；（iii）调整产物选择性；从而抑制焦炭形成并延长催化剂寿命。根据二级孔结构的来源，分级沸石可分为两类：分级全沸石（通过沸石相本身的孔工程实现）和复合材料（沸石与粘结剂或载体的结合）（见图1）。分级全沸石材料可以在不稀释活性位点的条件下精确调节孔结构，而沸石复合材料通常具有优异的结构可调节性和易于放大生产的优点（Schwieger等人，2016年）。这两类材料在相关文献中有详细讨论。
最近的综述主要集中在分级全沸石材料的合成方法（Chen等人，2020年）或CFP技术本身（Liu等人，2020年）。关于影响分级结构形成的关键因素（特别是在沸石复合材料中）及其与SAF生产催化性能之间关键联系的系统性总结相对较少。因此，本文详细分析了各种分级沸石的孔工程策略，探讨了不同合成方法对其孔结构的影响，并系统回顾了通过CFP从多种生物质原料制备SAF时的结构-性能关系。此外，还讨论了分级沸石的未来发展方向，旨在为设计和优化高效、可放大的分级沸石催化剂提供理论基础和参考。
部分摘录
分级全沸石的制备
分级全沸石是通过将次级“介观”或大孔整合到微孔沸石框架中制备的。目前已经开发了多种合成路线（详见补充信息）。根据孔形成的时间顺序，这些路线可以分为自下而上和自上而下的方法。两种方法之间的差异将在下文中详细阐述，具体案例分析见补充信息。
沸石复合材料的制备
除了在沸石内部设计分级孔结构外，结合沸石相和非沸石相的复合材料也可以形成分级孔网络。沸石相提供微孔，而非沸石相则通过其固有的孔结构或颗粒间的空隙引入“介观”和大孔。压实和涂层是制备此类复合材料的典型方法。这两种方法的特性将在下文中详细说明，具体案例分析见补充信息。分级沸石材料在促进生物质衍生喷气燃料组分合成中的关键作用
生物喷气燃料由C8–C16范围内的直链/异链烷烃和芳香烃组成，由于其成分相似性，成为石油基喷气燃料的有希望的可持续替代品。CFP被认为是生产生物喷气燃料的关键途径，其中催化剂是控制生物质CFP系统的核心因素。大量研究集中在三类主要催化剂上——沸石、碳材料和金属氧化物，每种催化剂都具有不同的催化特性。展望
尽管分级沸石在生物质转化方面展现出巨大潜力，但在实现大规模工业化应用之前仍需解决几个关键挑战。这些挑战包括孔结构和酸位点的协同调控、复杂反应网络的深入理解、工艺层面的经济可行性评估以及最终燃料产品是否符合严格的航空标准。
在催化剂设计层面，...
结论
本综述表明，沸石中的分级孔结构可以缓解质量传递限制，提高活性位点的利用率，减少焦炭形成，并改善反应物转化率和烃类选择性。虽然自上而下的方法可以实现精确的孔工程，但其可扩展性仍具有挑战性。因此，分级沸石通常与大孔载体结合使用以缓解扩散限制。无粘结剂的方法更有利于保持高的孔连通性。
未引用的参考文献
Carrasco Saavedra等人，2022年；Petushkov等人，2011年；Manrique等人，2016年；Verboekend和Pérez-Ramírez，2011年；F.W. Mohd Hasan Wong等人，2024年；Li等人，2019年；Zhang等人，2023年；Liu等人，2020年；Gogoi Saikia等人，2025年；Zhou等人，2018年；Yu，2010年；Wang等人，2024年；Zhang等人，2021年。CRediT作者贡献声明
冯工：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，概念构思。周同晓：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。魏静超：研究，数据管理。张瀚：研究，数据管理。金志恒：监督。徐家琦：撰写 – 审稿与编辑，监督。王邦达：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。蒋霞：监督，资金获取。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52430002）、中央高校基本科研业务费、四川大学青年教师科技创新计划（编号：2024SCUQJTX022）以及天府永兴实验室组织研究项目资助（编号：2024KJGG23）的支持。
