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垃圾的“逆袭”，废塑料“变”航空燃料，登上Science!

来源：科诺科研

废塑料、厨余垃圾经热解重整，成功转化为航空燃油和柴油

在全球致力于降低碳排放和实现废弃物资源化利用的背景下，将低价值的碳基废料转化为清洁燃料和化学品，被视为一条极具潜力的路径。然而，该领域长期面临两大核心挑战：一是缺乏能在工业规模下稳定运行、且具有高选择性的催化剂，尤其是在处理含C-C键、芳烃和杂原子的复杂废料时，催化剂易因积碳（coking）和活性金属团聚（sintering）而失活；二是废弃物成分复杂，往往需要预分选，增加了处理成本与难度。利用二氧化碳（CO₂）对烃类及废塑料进行干重整（dry reforming），不仅能将废弃碳源转化为合成气（syngas），还能实现CO₂的资源化利用，形成闭环的“合成气经济”。但此前，兼具高活性、长期稳定性且可公斤级规模化制备的工业催化剂，一直是该技术路线的瓶颈。

针对上述难题，沙乌地阿拉伯阿布都拉国王科技大学的Cafer T. Yavuz 教授开发了一种负载于单晶氧化镁（MgO）上的镍钼合金纳米催化剂（简称NiMoCat），并以公斤级规模制成适用于高压工业反应器的颗粒剂型。该催化剂对脂肪烃（甲烷、正丁烷）和芳烃（苯、甲苯）在加压CO₂气氛下均表现出定量化的合成气产出，且无甲烷化或非期望的氧化副产物（如丁二烯或多环芳烃）生成。放大制备的NiMoCat在长期运行中活性稳定，并能通过“气化-混合重整”两步工艺处理未经分类的混合废物。详细的从生物气到二甲醚（DME）的全生命周期分析表明，该技术提供了一条与现有燃料和化学品基础设施兼容的、可规模化的可持续CO₂利用路径。相关成果以题为“Industrial-scale nanocrystalline Ni–Mo–MgO catalysts for hybrid reforming of waste to fuels”发表在最新一期《science》上。

图 1 | 通过使用 NiMoCat 对废弃物和碳氢化合物进行干式（CO₂）重整，实现净零燃料和化学品的可持续路径

催化剂的可规模化与颗粒化制备

研究团队首先解决了催化剂的公斤级放大合成难题。他们优化出一种溶剂诱导沉淀法，可在4小时内完成一批公斤级的生产，并已制备超过15公斤的催化剂。放大后的粉末在500小时的甲烷干重整测试中，CO₂转化率维持在近100%。对于工业应用至关重要的颗粒化成型，团队发现传统粘合剂（如氧化铝）或润滑剂（如3wt.%石墨）会破坏催化剂的活性机制或导致反应器压降。最终，他们采用无添加剂的纯粉末，在超过20 kN的压力下直接压制成型，此时Ni-Mo纳米颗粒自身充当了粘合剂，制得的颗粒断裂强度高达1900 N，远超含石墨的颗粒（300 N）和商业Cu-Zn-AlO催化剂（1250 N）。然而，颗粒中的MgO具有吸湿性，含有高达10wt.%的表面羟基和吸附水，快速加热会导致水汽爆发并使颗粒粉化。因此，研究确定了6°C/min的上限加热速率，以确保安全脱水并保持颗粒完整性。

烃类的干重整性能

为验证催化剂的普适性，研究团队测试了其对不同烃类的干重整能力。对于含C-C键的正丁烷重整，NiMoCat成功实现了C-C键断裂并产出预期合成气，且未检测到如1,3-丁二烯等副产物（图2B）。对于更易积碳的芳烃（苯、甲苯），在800°C下经过50小时连续反应，两者均实现了完全转化（图2, B和C），且XRD和TGA分析均未检测到积碳或结构降解。通过系统调节CO₂进料比，研究发现当CO₂浓度接近完全重整的化学计量比时，H₂:CO比值会随之升高：甲苯的H₂:CO从0.05升至0.27（接近理论值2/7≈0.286），苯的H₂:CO则升至接近理论值1/4=0.250，这表明抑制逆水煤气变换（RWGS）反应能有效提升H₂产率。

图 2 | 公斤级颗粒化NiMoCat的生产及其干重整活性

添加蒸汽的干重整（混合重整）

实际原料气中常含水蒸气，因此评估催化剂在蒸汽存在下的稳定性至关重要。在标准CH₄/CO₂进料中加入10%水蒸气后，圆片状颗粒的转化率显著提升，而圆柱状颗粒因扩散效应影响转化率有所下降（图2E，蓝色背景）。H₂:CO比值相比无蒸汽的1:1条件有所下降，这归因于未完全转化的CO₂参与了RWGS反应。但总体而言，添加10%蒸汽并未使催化剂失活，在15 bar压力、富蒸汽条件下持续150小时的测试中，催化剂活性和结构均保持稳定。此外，针对实际原料气中的杂质，测试发现2000 ppm的NO对催化剂性能无影响，但同浓度的SO₂会毒化催化剂，使Ni转化为Ni₃S₂，因此在实际应用中需前置脱硫步骤。

从废料到合成气

研究团队进一步设计了两步法工艺，以验证NiMoCat处理真实混合废物的能力。首先在400°C和CO₂气氛下，对PET、PS、HDPE、LDPE等塑料及咖啡渣进行热解（图3A）。热解产生的轻质烃类（C₁₋₇）随后被通入装有NiMoCat的重整炉（800°C）进行转化。气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析表明，热解过程中，无论废物来源如何，均可检测到13种相同的核心化合物（图3C），这为处理未分类城市废物提供了潜在稳定的原料来源。在重整阶段，所有烃类均被高效转化为H₂和CO，GC检测器未发现C₂₊以上的烃类残留（图3D）。其中，食物垃圾（咖啡渣）产氢量最高，是塑料的两倍多。该过程无积碳生成，证明NiMoCat能作为高效的“重整过滤器”，将各种废物的气态馏分连续转化为合成气。

图 3 | 实验室规模的多用途废物转合成气重整器原型

基于NiMoCat的二甲醚生产的生命周期与技术经济分析

为评估实际应用潜力，团队对“生物气→合成气→甲醇→二甲醚（DME）”的全流程进行了详细的生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）（图4）。研究引入可再生能源（PEM电解）制取的绿氢来补充DME合成所需的额外氢源。结果显示，与传统“灰色DME”（排放1.61 kg CO₂/kg DME）相比，基于NiMoCat重整的工艺路径将碳排放显著降低至0.95 kg CO₂/kg DME，减排幅度约0.76 kg CO₂/kg DME（图4B）。TEA分析表明，资本支出（CAPEX）的78.08%集中于合成气生产单元，其中反应器成本占比高达78%；运营支出（OPEX）则主要受原料（生物气、氢气）和电力价格影响。敏感性分析显示，在最乐观情景下，DME生产成本可低于$1.0/kg（与当前灰色DME价格相当），即使在高电价保守情景下（$0.15/kWh, $7.0/kg H₂），成本也低于$2.0/kg，展现出强劲的经济韧性(图4D)。

图 4 | 基于NiMoCat的DME生产的生命周期评估和技术经济分析

总结与展望

本研究成功开发了一种可公斤级制备、具有普适性的NiMoCat颗粒催化剂，能够无差别地处理从纯烃类到混合塑料废料等多种碳源，并在混合重整（CO₂+蒸汽）条件下实现无积碳、无烧结的稳定合成气生产。该技术不仅为废弃物管理提供了新思路，还能从中提取高价值化学品。全面的LCA与TEA证明，该催化工艺在低成本、可持续地生产清洁柴油替代品（DME）方面极具潜力。研究认为，基于NiMoCat的干重整技术为将废弃物升级转化为急需燃料、实现向可持续能源未来过渡，提供了一条政策与经济层面均具可行性的解决方案。

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