纳米Fe2O3>催化生物质模型化合物愈创木酚用于重油水热裂解改质的实验研究

针对传统氢供体不可再生的问题，西南石油大学团队创新性地利用生物质模型化合物愈创木酚协同纳米Fe2O3>催化剂，在240°C/24h条件下实现重油粘度降低84.53%，重质组分减少3.35%，并通过GC-MS/FTIR等揭示了Fe3+/Fe2+氧化还原循环促进酚羟基解离产氢的协同机制，为清洁高效氢供体开发提供新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，常规原油储量递减与能源需求增长的矛盾日益突出。占全球原油储量70%的重油资源因高粘度（>100 mPa·s）、高密度（>0.934 g/cm³）成为开采和运输的"卡脖子"难题。现有降粘技术中，水热裂解（aquathermolysis）因其能在200-300°C实现原位分子裂解和杂质脱除而备受关注，但传统氢供体如四氢萘（tetralin）存在不可再生、成本高昂等缺陷。此时，富含含氧有机物（如醚类、酚类、醇类）的生物质液化产物，以其可再生特性成为理想替代品——其中木质素衍生的愈创木酚（guaiacol）因其独特的C_αH-OH和-O-CH₃官能团，被认为可通过脱氢和脱甲氧基化反应释放活性氢。

西南石油大学化学化工学院的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表的研究中，创新性地将愈创木酚与纳米Fe₂O₃催化剂联用，系统探究了其在重油改质中的协同机制。通过优化反应条件（240°C、24小时、0.1 wt.%催化剂、4 wt.%愈创木酚），实现了84.53%的粘度降低率和3.35%的重质组分（胶质/沥青质）减少，效果显著优于甲醇、乙醇等传统氢供体。研究采用GC-MS、FTIR、¹H-NMR等多维表征技术，发现改性油中C₁₃-C₁₈烃类显著增加而>C₂₈组分减少，芳香度指数（f_a）从0.242提升至0.259，支链化程度（C₃指数）从0.96降至0.82，同时实现了硫、氮等杂原子的高效脱除。

关键技术方法
研究采用水热法合成α-Fe₂O₃纳米催化剂，以天津海上油田重油为原料，通过单因素实验优化温度、时间、氢供体添加量和催化剂负载量等参数。采用旋转粘度计测定粘度变化，正庚烷/甲苯分离法量化四组分变化，结合GC-MS分析烃类分布，FTIR和¹H-NMR解析结构演变，元素分析仪追踪杂原子脱除效率。

研究结果

1. 催化水热裂解条件优化：在240°C、24小时条件下，0.1 wt.%纳米Fe₂O₃与4 wt.%愈创木酚组合展现出最佳协同效应，粘度降幅达84.53%，较单一催化剂体系提升21.6%。

2. 氢供体性能对比：愈创木酚的降粘效率比甲醇高37.2%，其独特的酚羟基结构通过Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环持续产生活性氢，抑制了缩合结焦。

3. 分子结构演变：FTIR显示2920 cm^-1处脂肪族C-H振动减弱，而1600 cm^-1处芳香C=C振动增强；¹H-NMR证实芳氢占比从7.8%升至9.3%，印证了"加氢裂化-芳构化-杂原子脱除"的协同路径。

结论与意义
该研究首次从实验角度验证了生物质衍生愈创木酚作为可再生氢供体与纳米Fe₂O₃的协同机制：催化剂表面的Fe³⁺/Fe²⁺循环促进酚羟基解离生成活性氢，进而驱动重油大分子的定向裂解和结构重组。相较于传统化石基氢供体，这种绿色方案不仅解决了可再生性问题，其84.53%的降粘效率更为重油资源的清洁高效开发提供了新范式。研究提出的"生物质-纳米催化"协同策略，为碳中和背景下的油气资源升级提供了理论和技术双支撑。