基于微量热法与原位红外诊断的液体燃料催化燃烧机理研究
全部作者：张方港1，张佳荟1,3，郑树2，隋然1,*
单位信息： 1清华大学 能源与动力工程系、燃烧能源中心；
2华北电力大学 新能源发电国家工程研究中心；
3清华大学 行健书院、燃烧能源中心
摘要
正文
催化燃烧可以有效提高航空煤油的点火及燃烧性能，具体包括降低燃料的起燃温度、拓宽其可燃极限并缩短点火延迟时间等。然而，目前领域内关于航煤催化燃烧机理的研究明显不足，对表面反应路径缺乏足够认识。本工作结合微量热法、原位漫反射傅里叶变换红外光谱法（in situ DRIFTS）以及CFD数值模拟，深入研究了航煤模型燃料组分（正癸烷和1,2,4-三甲苯）在典型贵金属催化剂铂上的催化燃烧机理，厘清了反应路径。
本工作首先利用微量热法测量了两种燃料催化氧化的化学反应动力学参数，构建了总包反应机理。根据总包机理又推导出正癸烷在铂上的初始解离吸附反应，结合Deutschmann等人开发的H-C1子机理（Appl. Catal. A: Gen., 303 (2006) 166-176），构建了正癸烷在铂上氧化的详细机理。如图1所示，使用总包和详细反应机理的模拟均很好的复现了实验结果。
图1 催化机理的CFD模拟结果与实验验证
本研究还利用in situ DRIFTS 探测出了催化反应过程中的关键含氧中间体（图2），包括一氧化碳、碳酸盐、羧酸盐、烯醇、丙烯酸、苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸、马来酸等吸附态物质。根据这些重要物质随反应时间及温度的演变规律，发现了大分子碳氢燃料的多阶段催化氧化过程，进而揭示了不同温度区间的催化反应路径。
图2 不同反应温度下正癸烷(a)及1,2,4-三甲苯(b)在Pt上催化氧化的红外吸收谱图
最后，结合以上研究结果，本工作构建了正癸烷和1,2,4-三甲苯在Pt上催化氧化的反应网络（图3和图4），为揭示航煤催化燃烧的反应机理提供了思路和理论支持。
图3 正癸烷在Pt上催化氧化的反应路径
图4 1,2,4-三甲苯在Pt上催化氧化的反应路径
清华大学燃烧能源中心博士后张方港为该论文的第一作者，隋然老师为通讯作者。其他作者包括隋然课题组本科生张佳荟和华北电力大学郑树教授。本研究得到了国家自然科学基金（52206157）、博士后面上基金（2024M751667）、北京市自然科学基金（QY24240）和中关村开放实验室基金（20220981113）的支持。
作者介绍
张方港，第一作者，清华大学燃烧能源中心和能源与动力工程系博士后，主要研究方向为空天燃料的催化点火、碳氢燃料催化部分氧化制氢、表面反应机理的开发以及等离子体辅助催化燃烧。2023年6月在北京航空航天大学获得博士学位后，加入清华隋然老师课题组从事博士后研究。他正在主持国资博士后人员计划和博士后基金面上项目，并于近期获得了中国工程热物理学会燃烧学学术年会优秀论文奖。
隋然，通讯作者，清华大学燃烧能源中心和能源与动力工程系特别研究员、博士生导师，长期从事催化燃烧与新型空天动力、异相反应流能源转化与污染防治等方面的研究工作。2017年在瑞士苏黎世联邦理工大学获得博士学位后，在美国普林斯顿大学先后担任博士后和副研究员职务，以及美国密苏里科技大学助理教授、博导、基础燃烧学方向负责人。2021年入选国家海外人才计划青年项目，曾获得国际燃烧学会杰出论文奖等多项荣誉，还曾作为优秀留学人员代表受到习近平总书记接见。他是Appl. Energy Combust. Sci.等SCI期刊的客座编辑，还曾担任JKW、KGJ和中国重燃等的项目评审专家。
本期编辑：刘洋、汪晓磊 审校：胡皓玮
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