C3 F7 COC2 F5 在H2 -CH4 -空气混合火焰中的浓度依赖性抑制与促进机制：面向氢掺杂天然气安全应用的创新研究

为解决氢掺杂天然气（H2 -CH4 -air）混合气体因氢特性（低点火能、宽爆炸极限）引发的火灾与爆炸风险，研究人员通过预混爆燃管实验与计算化学（DFT、化学动力学模拟）揭示了C3 F7 COC2 F5 的双重作用机制：低浓度（1%）促进OH•生成加速燃烧，高浓度（≥2%）通过释放F•抑制火焰传播。该研究为氢能安全应用提供了关键抑制技术选择依据。

　　

随着全球能源结构向低碳转型，氢能作为清洁能源被广泛关注。然而，将氢气掺入天然气管道（H₂
-CH₄
混合）在降低碳排放的同时，也带来了严峻的安全挑战——氢气的低最小点火能（0.02 mJ）和宽爆炸极限（4%-75%）显著增加了泄漏后的火灾与爆炸风险。传统灭火剂如Halon 1301因破坏臭氧层被禁用，而替代品HFCs虽无臭氧消耗问题，却具有极高的全球变暖潜能（GWP>3000）。在这一背景下，兼具环境友好性（零ODP、低GWP）与高效灭火性能的氟化酮类化合物C₃
F₇
COC₂
F₅
成为研究焦点。但此前研究多关注单一燃料体系，对其在H₂
-CH₄
混合气中的复杂作用机制尚不明确。

为填补这一空白，重庆某高校安全工程团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，通过实验与计算相结合的方法系统解析了C₃
F₇
COC₂
F₅
的浓度依赖性作用机制。研究采用标准预混爆燃管测量最大爆炸压力（P_max
），结合化学动力学模拟和密度泛函理论（DFT）计算，定量分析了物理（热容、稀释）与化学（自由基反应）效应的贡献。

实验测量
在1000×100×100 mm³
爆燃管中测试不同当量比（Φ=0.6-1.2）和抑制剂浓度（X_{C3
F7
COC2
F5}

=0%-5%）下的P_max
。结果显示：Φ≥0.7时，X_{C3
F7
COC2
F5}

≥2%可完全抑制爆炸；但Φ=0.6时，1%的抑制剂反而使P_max
升高15%。

化学动力学机制
DFT计算发现：低浓度C₃
F₇
COC₂
F₅
通过降低能垒促进OH•生成，加速链式反应；高浓度时则分解产生F•，通过电子捕获效应淬灭H•/OH•。关键路径分析表明，C₃
F₇
COC₂
F₅
→CF₃
•+CF₃
CO•的反应能垒（42.5 kcal/mol）决定了抑制效率。

分子表面分析
平均局部电离能（ALIE）和静电势（ESP）显示，C₃
F₇
COC₂
F₅
的羰基氧原子是自由基攻击的主要位点，其电子云分布差异解释了浓度依赖性效应。

该研究首次揭示了C₃
F₇
COC₂
F₅
在H₂
-CH₄
体系中的"双刃剑"特性：在富燃料条件（Φ≥0.7）下可作为高效抑制剂，但在贫燃条件（Φ=0.6）需谨慎使用以避免意外促进燃烧。这一发现为氢能基础设施的安全设计提供了理论依据，同时推动了新一代环保型灭火剂的开发。研究团队特别指出，实际应用中需根据混合气成分精确控制抑制剂浓度，并建议将DFT模拟纳入灭火剂筛选标准流程。