化石能源的燃燒是現階段社會高速發展的重要基礎，攸關國計民生和國家戰略競爭力。燃燒和氧化反應動力學直接關系到化石燃料的燃燒和點火特性。點火特性是表征燃料燃燒特性的重要基礎數據，同時也是驗證燃燒反應動力學模型及其模型簡化的關鍵依據。另一方面，燃料的不完全燃燒會產生揮發性有機化合物（VOC），包括未反應的燃料和部分氧化產物，而VOC是大氣灰霾的重要來源之一，對自然環境和人類健康危害極大，迫切需要進行非均相催化脫除。因此，開展化石燃料在寬壓力范圍內的均相和非均相低溫氧化動力學研究，對于理解其點火特性及污染物生成和脫除機理具有重大的戰略意義。

近年來，中國科學院工程熱物理研究所循環流化床實驗室開展了燃燒原位診斷、動力學模擬和催化燃燒等方面的研究工作。原位診斷方面，發展了用于研究航空模型燃料低溫氧化的射流攪拌反應器（Jet-stirred reactor，JSR）系統，通過與色譜和分子束質譜等設備結合，系統研究了烷基苯燃料的氧化動力學，并分析了燃料結構對中間產物和反應動力學的影響規律；設計了用于研究氣體和液體燃料燃燒動力學的攜帶流反應器，結合分子束取樣系統，確定了不同燃料在燃燒過程中產生的中間體結構和兩維空間分布信息，為構建動力學模型提供了可靠數據；設計了新的研究催化反應的集成裝置，該設備包括一個催化射流攪拌反應器（CatalyticJSR，在常規JSR中引入催化劑）和原位漫反射裝置，通過增加氣相分子與催化劑表面的接觸時間來原位測量催化反應中的氣相和表面中間產物，明晰了多相反應動力學過程，為國際上首個開展相關研究的實驗室。

動力學模擬方面，發展了較大單環芳烴的氧化機理，實驗上觀測到幾十種燃燒和氧化中間產物，結合量子化學計算得到這些中間產物的熱力學和化學反應的動力學參數，對這些燃料氧化過程中產生污染物的機理進行了反應路徑和敏感性分析；構建了航空模型燃料（正癸烷+均三甲苯、正十二烷+正丙苯+三甲基環己烷）的點火機理，特別是從動力學角度分析了負溫度效應對燃料轉化的影響規律，該結果對于理解和發展新的航空模型燃料具有重要的指導作用。

催化燃燒方面，發展了用于制備組分可控催化劑的化學氣相沉積方法，實驗上成功獲得了單、雙和三過渡態金屬氧化物薄膜，并從動力學角度揭示了催化劑的形成機理，為開發設計新的活性催化劑奠定了堅實的理論和實驗基礎；建立了利用超聲分子束質譜和原位漫反射分別研究催化燃燒氣相和表面反應機理的方法，該方法通過原位診斷巧妙地獲得氣相燃燒中間體和表面吸附及價態變化的信息，為理解催化燃燒反應路徑和建立精確的催化燃燒模型提供了實驗數據庫；量化計算了模型尾氣分子在過渡態金屬氧化物表面反應的動力學信息，得到了氣體分子在催化劑表面吸附和反應的能壘及速率常數，考慮了缺陷表面對催化反應的影響，計算了ER、LH和MvK對于催化反應的貢獻比例，為進一步發展催化模型提供了理論支撐。

該工作得到科技部重點研發計劃課題、國家自然科學基金重大研究計劃、面上基金、中科院創新交叉團隊和德國洪堡基金會研究合作小組等的支持。截止2018年5月，相關研究成果在Combustion and Flame（4篇）、Proceedings of theCombustion Institute（6篇）、Applied Catalysis B: Environmental、Bioresource Technology 和Chemical Engineering Journal 等燃燒和環境雜志上發表三十余篇國際期刊論文，并出版了英文專著2章，申請發明專利4項。

圖1 C9H12燃料的均相燃燒動力學分析

圖2 非均相催化反應能壘分析

文章來源：工程熱物理研究所