航空能源新进展 | Joule文章特辑

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将丰富的可再生资源转化为可持续航空燃料（sustainable aviation fuels, SAFs）对于推进航空业的减碳发展至关重要。尽管目前已发展了一系列生产SAF燃料的技术，但距离实现100% SAF燃料覆盖的产量，仍道阻且长。

在本期Joule的文章特辑中，我们重点关注一些生产SAF燃料的潜在技术，所有特辑中的文章都将会限时开放获取。

研究论文

木质素连续加氢脱氧生产适用于航空业的芳香碳氢化合物

使用可持续航空燃料（SAF）是助力航空业减碳排放的有效途径。目前，合成SAF燃料中直链和支链脂肪族成分的制备方案较为成熟，但以生物质为原料，生产SAF的芳香族和环烷烃部分的可行性策略却鲜少形成规模。木质素是植物界储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，同时也是自然界中最丰富的可再生资源之一。然而，由于难以进行脱氧反应，使得木质素在作为原料生产SAF时面临着重重困难。基于此，来自美国国家可再生能源实验室的Gregg T. Beckham团队和麻省理工学院的Yuriy Roman-Leshkov团队报告了一项连续的、两阶段的催化工艺，该工艺使用碳化钼将杨树中的木质素催化脱氧生成芳香碳氢化合物，对芳香碳氢化合物的选择性为87.5%，理论碳回收率为86%。Tier α燃料性能测试表明，相对于传统的航空燃料芳香化合物，木质素衍生的芳香化合物所制备的SAF在性能上更具优势。这项工作提出了一种将木质素转化为芳香族SAF混合原料的有效方案。

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太阳能塔式燃料生产装置：以H2O和CO2为原料热化学生产煤油

开发用于生产碳中性航空燃料的太阳能技术已成为一项全球性的能源项目，但目前，大部分研究仅限于实验室规模。本文中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的Erik Koepf和Aldo Steinfeld研究团队通过在全集成太阳能塔式装置中聚光收集太阳能，实现从H2O和CO2到煤油的整个热化学制备过程。团队通过氧化铈的热化学氧化还原循环将H2O和CO2转化为比例可调的H2和CO合成气，并进一步加工成煤油。该装置中，50千瓦的太阳能反应器包括一个含有网状多孔结构的空腔接收器，直接暴露于2500个太阳平均通量浓度下。在没有回收和循环使用热能的情况下，从太阳能到合成气的能量转换效率达到了4.1%。作者认为，该太阳能塔式燃料装置可以与工业设施联合，有望成为可持续航空燃料生产技术发展过程中的里程碑。

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生物合成聚环丙烷化高能量密度生物燃料

环丙烷功能化的碳氢化合物是具有高能量密度的优质燃料。然而，合成该类有机分子难度极大。本文中，来自加州大学伯克利分校Jay D. Keasling院士团队报道了一种利用细菌生产聚环丙烷化脂肪酸的方法。所得的脂肪酸分子能够转化为可再生燃料，用于船舶、长途运输、航空以及火箭等高能耗应用领域。研究团队探索了细菌基因组中编码的化学多样性，识别并利用自然界中存在的环丙烷化分子，发现了一类能够形成聚环丙烷化脂肪酸的迭代型聚酮合酶（iterative polyketide synthase, iPKS），通过在天蓝色链霉菌中表达，实现了聚环丙烷化脂肪酸的生产，优化后的产率可提升至22倍。文末，研究团队基于聚环丙烷化脂肪酸生产出了聚丙烷化脂肪酸甲酸酯燃料POP-FAMEs，该燃料具有超过50 MJ/L的净热值，具备生产多种高能量密度生物燃料的应用潜力。

评论文章

实现“净零碳排放”的可持续航空燃油

航空业需要可再生和可替代的航空燃料以减少碳排放并提高效率，这种燃料一般被称作可持续航空燃料SAF。SAF可置换相同或者可能更多的二氧化碳排放当量，减少航迹云的形成并提升发动机效率。航空业的迅速发展极大地刺激了对低碳足迹的可持续燃料的需求。喷气燃料的生命周期分析需要充分考虑从生产到最终燃烧过程中每个阶段的二氧化碳排放当量，化石喷气燃料全生命周期的碳排放量为89克CO2eq/MJ。本文中，来自美国Alder Fuels公司的Derek R. Vardon等人聚焦于生物质原料，提出了SAF在未来实现“净零碳SAF”目标过程中将遇到的技术机遇和挑战。

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观点与展望

直接电解空气中二氧化碳实现工业级规模的燃料制备

全球能源系统的成功转型需要社会和工业界的变革。变革之一是利用可再生能源生产电力，直接用于当前和未来日益电气化的基础设施。生产的绿色电力预期将成为“电力多元转换”（Power-to-X）技术的关键，该技术目的是将环境中的分子，如H2O、CO2和N2转化为密集型能量载体。本文中，来自荷兰代尔夫特理工大学的Wilson A. Smith等人提出了一个通过结合各项技术，将“Power-to-X”引入工业规模生产，并对全球能源系统产生影响的范例。作者在文中讨论了使用CO2电解槽作为核心技术生产甲醇的绿色方案，即整合了CO2和H2O电解槽直接捕获空气中CO2与传统甲醇生产的技术方案。作者分析，该技术将在CO2电解槽初期研究阶段中实现一定规模的生产。文末，作者对未来由稀薄太阳能资源驱动的相关行业做出了展望。

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