碳烟颗粒表面生长及氧化的详细反应动力学机理

The objective of this research project is to develop a reliable detailed kinetics model of surface growth and oxidation of soot particles, and to study the key chemical reactions responsible for soot surface growth and oxidation during combustion. According to the hypothesis of chemical similarity, the surface of soot particles can be assumed to resemble the edge of large polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) molecules, and chemical reactions taking place on a soot particle surface are analogous to those of the large PAHs. We will select PAHs of the similar structure with the edge sites of soot surface, study their reaction kinetics with important gaseous species produced in combustion, and estimate the rates of the corresponding surface reactions. Based on the new computed rates and those from the literature, we will develop a detailed kinetic Monte-Carlo model for soot surface growth and oxidation, and simulate dynamically the evolution of PAH and soot surface growth and oxidation at various combustion conditions. This study is expected to deepen our understanding of the reaction mechanism of surface growth and oxidation of PAHs and soot particles during combustion, and improve the model predictive ability for soot formation.

本项目的目标是建立一个可靠的碳烟颗粒表面生长及氧化的详细化学动力学模型,并研究燃烧过程中影响碳烟表面生长氧化的重要化学反应。根据结构相似假设，碳烟颗粒表面可设想与多环芳烃（PAH）分子的边相似，表面活性位发生的化学反应与相似边缘结构的PAH上的类似。本项目将选择与碳烟表面边缘结构相似的PAH分子，研究它们与燃烧过程中重要气相组分之间的反应机理，估算碳烟表面与这些气相组分的反应速率。根据计算的表面反应速率和文献中相关的数据，建立碳烟表面生长及氧化的详细化学动力学Monte-Carlo模型，动态模拟各种燃烧气氛下PAH及碳烟表面生长氧化过程。本项目的研究将会加深对燃烧过程中PAH及碳烟表面生长氧化机理的认识，提高预测碳烟生成的能力。

准确预测碳烟生成速率和形态需要我们清楚的认识碳烟表面生长氧化机理。特别是那些在碳烟表面发生的重要基元反应，是当前研究的热点问题。在过去的三年里，本项目深入细致研究了这些重要的生长及氧化反应。首先，在生长机理方面，研究了具有多自由基特性的多环芳烃分子导致的二聚，以及这类多环芳烃分子与乙炔等小分子的反应，证实了多环芳烃分子二聚可能导致颗粒成核，及与多环芳烃类似的碳烟表面的这种多自由基特性对于表面生长的重要作用。其次，研究了在碳烟表面氧化过程中一类重要的中间产物氧化基的热分解，并探索了内嵌五碳环对分解速率的影响。最后，基于以上基元反应速率常数的研究，发展了一个可靠的碳烟颗粒表面生长及氧化的详细化学动力学模型，动态模拟了燃烧气氛下表面生长和氧化过程。这些研究结果加深了我们对碳烟生成机理的认识，改进了模型对碳烟形成的预测能力。