可溶性纳米催化剂在高能燃料中的催化燃烧研究

Improving the ignition and combustion characteristics of hydrocarbon fuels are crucial issues for propulsion systems, particularly for hypersonic and pulse-detonation engines, where rapid ignition is required. Fuel-soluble catalysts or catalysts precursors can achieve high dispersion in the fuels without blocking the high flow rates, and produce major improvements in combustion. In this project, a flow tube reactor and laminar flat flame burner will be used for catalytic combustion, using fuel-soluble catalysts or catalyst precursors in the fuels. GC-MS and synchrotron X-ray scattering and spectroscopy will be used to detect the reaction products and catalyst growth in order to investigate how catalyst structure, shape and chemical composition affect the ignition delay time, reaction pathway and product branching. A systematic examination will be carried out with different catalysts and different fuels. The experimental results will be compared with combustion kinetic model, which helps to further understand catalytic combustion mechanism, the fundamental chemical and physical factors that control catalysis, delivering a science base. Further we will develop catalytic combustion models that are needed for engine design, catalyst optimization, and alternative fuels and technologies.

对于推进系统特别是需要快速点火的高超音速和脉冲爆震发动机，提高碳氢燃料的点火和燃烧性能是至关重要的。利用可溶性催化剂或催化机前驱物在燃烧中可以达到高度分散，不会阻碍高超流速，可以有效提高燃烧效率。本项目将利用催化层流火焰装置，结合色谱-质谱仪以及同步辐射X射线散射、X射线光谱技术探测，研究可溶性催化剂的形状、结构、组成等因素对航空高能燃料的燃烧效率、反应通道以及产物分支比的影响，对多种催化剂以及各种燃料或燃料混合物进行系统综合地研究。结合量化计算和文献燃烧模型，发展催化燃烧动力学模型。详细分析催化燃烧机理，研究控制催化的基本物理和化学因素, 从而为实际超音速发动机设计、燃料和替代燃料选择，以及催化剂的选择优化等提供有价值的理论基础和参考依据。

提高点火和燃烧效率对于推进系统至关重要，使用合适的可溶性催化剂或催化剂前驱物可以在液体燃料中达到高度分散、不会阻碍高流速系统，并且可以显著提高燃烧效率。本项目的主要内容是探索在燃烧中可溶且催化性能好的催化剂，研究催化剂对燃烧性能的影响，结合实验和理论研究分析催化燃烧机理。已完成按照原计划的研究内容，完成了含钯、镍、钌、锰几种乙酰丙酮化合物作为催化剂前驱物的催化性能研究，结合多种探测手段得到的实验数据，以及理论分析，探讨了各种催化剂对燃烧产物和反应机理的影响，发展了燃料本身的反应动力学模型，对已有的模型进行了优化，发展了新的催化燃烧模型。较低浓度的催化剂延缓了初级碳烟颗粒的生成或者加强后期碳烟的氧化，从而减少了碳烟的生成；而较高浓度的催化剂因为本身的成核作用相比其他催化性能更加明显，因为加速了碳烟成核，导致增加了碳烟。不过对于不同的催化剂，临界浓度不一样，对于已研究的几种催化剂，临界浓度在100-300 ppm之间变动。这些结果为各种催化剂的应用提供了理论基础。相关的工作发表在Combustion and Flame、Energy & Fuels、工程热物理学报等期刊上，目前已发表相关的论文三篇，已接收两篇，已投稿在审一篇，正在撰写三篇。另外参加了近三年的工程热物理年会、国际燃烧会议、亚太燃烧会议、欧洲燃烧会议等，在会议上进行的口头报告或墙报展示。