铁粉低温氧化的热重与微结构分析：揭示可持续金属燃料燃烧动力学的关键机制

本研究针对铁基燃料燃烧动力学模型缺失的问题，通过60组热重分析(TGA)实验结合SEM/XRD表征，系统研究了微米级铁粉在570°C以下的氧化行为。发现铁颗粒可在远低于方铁矿(FeO)形成温度下完成氧化，并首次提出双相磁铁矿(Fe3 O4 )层生长主导的氧化机制，获得220 kJ/mol的表观活化能，为铁燃料燃烧器CFD模拟提供了关键动力学参数。

　　

在全球碳中和背景下，金属燃料尤其是铁粉因其零碳排放特性成为能源领域的新宠。然而，铁粉燃烧过程中的氧化机制至今仍是"黑箱"——现有燃烧模型多基于铁带氧化数据，但微米级颗粒与块体材料的氧化行为存在显著差异。这种认知缺口严重制约着兆瓦级铁燃料燃烧器的优化设计，如何准确描述铁粉氧化动力学成为推进该技术的关键瓶颈。

德国研究人员团队在《Fuel》发表了一项突破性研究。通过设计60组精密的热重分析实验，结合先进的微结构表征技术，首次系统揭示了微米铁粉在低温区（<570°C）的氧化机制。研究发现，铁颗粒氧化会形成独特的"三明治"结构：由柱状晶外层和等轴晶内层构成的双相磁铁矿(Fe₃
O₄
)，表面覆盖赤铁矿(Fe₂
O₃
)脊状网络。令人惊讶的是，氧化过程在远低于方铁矿(FeO)形成温度时即可完成，这颠覆了传统认知。

研究采用两大关键技术：1）多条件TGA实验矩阵，涵盖1-15°C/min升温速率和300-700°C等温氧化；2）SEM/XRD联用技术，通过背散射电子成像和Rietveld精修定量分析相组成。特别设计了高灵敏度气体切换系统，可6秒内完成惰性-氧化气氛转换。

【氧化动力学特征】
通过Kissinger-Akahira-Sunose方法获得220 kJ/mol的表观活化能，与磁铁矿中铁自扩散活化能(230 kJ/mol)高度吻合。截断型Sestak-Berggren模型成功复现了实验曲线，揭示氧化速率与氧分压的0.5次方成正比。

【微观机制解析】
SEM显示400°C氧化2小时后，颗粒表面形成多孔蜂窝状结构，截面呈现明显的双层磁铁矿结构。XRD定量证实此时磁铁矿占比高达95%，仅含微量赤铁矿。研究者提出"双向扩散"机制：Fe²⁺
/Fe³⁺
向外扩散形成柱状磁铁矿层，同时O^2-
通过短路路径向内扩散形成等轴晶层。

【工程启示】
研究发现初始氧化阶段受气相传质控制，后期转为固相扩散主导。这解释了工业实践中常见的"自限性"氧化现象——颗粒烧结形成的连续氧化层会阻断反应界面。研究建议通过陶瓷稳定化或稀释法抑制烧结，这对开发可循环铁燃料系统具有重要指导价值。

这项研究首次建立了微米铁粉低温氧化的完整动力学框架，其提出的"双相磁铁矿层生长模型"为燃烧模拟提供了关键参数。特别值得注意的是，研究者公开了全部TGA原始数据，为后续多尺度模型开发奠定了坚实基础。该成果不仅推进了金属燃烧理论，更为设计新一代碳中和燃烧系统提供了科学依据。