新型零碳燃料的开发利用是能源动力领域实现碳中和战略目标的重要途径，添加高活性燃料的双燃料燃烧模式以优化纯氨的燃烧特性是实现氨燃烧应用的主要解决途径之一。在掺混燃烧中，碳氮交叉反应动力学对掺混燃烧特性的影响研究是目前的热点问题。近期，西南交通大学材料动态行为研究所甯红波副教授研究小组在氨掺混燃烧碳氮交叉反应动力学研究方面取的重要进展，相关成果发表在国际权威期刊（Energy、Fuel 和Physical Chemistry Chemical Physics）。该系列论文以硕士研究生张依然为第一作者，甯红波副教授为通讯作者，合作者包括重庆大学吴君军副教授，西南交通大学为论文的第一完成单位。该研究成果获得了国家自然科学基金、四川省自然科学基金和西南交通大学基础研究培育项目的支持。
1. 丙酮和乙烯酮与NH2自由基的反应动力学研究
丙酮和乙烯酮是碳氢化合物和含氧化合物燃烧的重要中间体，通过对于丙酮和乙烯酮与氨基的交叉反应动力学研究，我们获得了准确的反应动力学数据（图1），可为完善碳氢氧燃料与含氮燃料的燃烧反应网络提供指导和借鉴。并将得到的准确动力学数据应用到丙酮/氨掺混的动力学模型中，完善了NH3与C/H/O燃料混合燃烧的核心机理的构建。相关成果以“Theoretical reaction kinetics predictions for acetone and ketene with NH2 radicals: Implications in acetone/ammonia kinetic modeling”为题发表在Energy上。
图1 丙酮和乙烯酮与氨基的反应势能面及主要物种浓度的模拟
1. 甲酸甲酯和丙酸甲酯中的HO2协同加成反应动力学研究
研究小组与重庆大学吴君军副教授合作，通过对于甲酸甲酯和丙酸甲酯与HO2的协同加成反应动力学研究，阐明了低温氧化过程中HO2与甲酯燃料羰基C=O官能团的协同加成反应在甲酯低温氧化机理中的重要作用。相关成果以“Theoretical study on reaction kinetics of the absent HO2 concerted addition reaction on ester group of methyl esters: Case studies of methyl formate and methyl propanoate”为题发表在Fuel上。
图2 甲酸甲酯和丙酸甲酯与HO2自由基的反应网络
1. 甲酸甲酯与NO2的反应动力学对甲酸甲酯/NO2掺混燃烧的着火延迟时间影响
废气再循环（EGR）广泛应用于现代内燃机中，以减少废气污染物并控制燃烧阶段。然而废气循环中除CO2、H2O和未燃碳氢化合物之外，还有少量的NO2。通过探究NO2与最简单的甲酸甲酯燃烧反应动力学，明确NO2浓度的增加能够缩短所有温度范围内的着火延迟时间，且促进作用与NO2浓度呈现非线性关系（图3）。相关成果以“Exploring the reaction kinetics of methyl formate + NO2: Implication for ignition behavior of methyl formate/NO2 mixtures”为题发表在Physical Chemistry Chemical Physics上。
图3甲酸甲酯与NO2总速率常数和分支比以及甲酸甲酯/NO2掺混的点火延迟时间模拟
论文信息：
[1] Yiran Zhang, Li Fu, Sihao Wang, Hongbo Ning*, Theoretical reaction kinetics predictions for acetone and ketene with NH2 radicals: Implications on acetone/ammonia kinetic modeling, Energy, 2024, 310, 133262. (https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.133262)
[2] Yiran Zhang, Junjun Wu*, Hongbo Ning*, Theoretical study on reaction kinetics of the absent HO2 concerted addition reaction on ester group of methyl esters: Case studies of methyl formate and methyl propanoate, Fuel, 2024, 377, 132842. (https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.132842)
[3] Yiran Zhang, Sihao Wang, Zhenpeng Zhang, Li Fu, Hongbo Ning*, H. Y. Zhao, Exploring the reaction kinetics of methyl formate + NO2: Implication for ignition behavior of methyl formate/NO2 mixtures, Physical Chemistry Chemical Physics, 2023, 25, 32051. (https://doi.org/10.1039/d3cp04444k)