水分子调控氨燃烧中氮氧化物排放的分子动力学机制研究

为解决氨(NH3 )作为零碳燃料燃烧时产生氮氧化物(NOx)的难题，研究人员通过反应力场分子动力学(ReaxFF MD)模拟，系统探究了水(H2 O)对NH3 燃烧路径的调控作用。研究发现，H2 O在2400-2800 K温度范围内通过促进OH自由基生成加速NH3 氧化，并通过抑制HNO-to-NO转化路径显著降低NOx排放。该研究为清洁能源应用中的污染物控制提供了原子尺度理论依据。

　　

在全球碳中和背景下，氨(NH₃
)因其零碳特性和成熟的储运体系成为氢能载体和直接燃料的热门选择。然而，NH₃
燃烧过程中产生的氮氧化物(NOx)会引发酸雨和光化学烟雾，这一矛盾严重制约其实际应用。传统研究虽发现水(H₂
O)添加能降低NOx排放，但原子尺度的作用机制始终成谜。

为解决这一科学难题，来自辽宁的研究团队在《Journal of the Energy Institute》发表研究，采用反应力场分子动力学(ReaxFF MD)技术，首次在原子层面揭示了H₂
O调控NH₃
燃烧的动力学机制。该技术通过量子力学修正的力场参数，可模拟化学键断裂与形成的动态过程，成功追踪了2400-3600 K温度区间内NH₃
/O₂
/N₂
/H₂
O体系的反应轨迹。

ReaxFF MD模拟方法
研究构建了包含7680个原子的燃烧体系，采用CHON-2017力场参数描述相互作用。通过恒温恒压(NPT)系综模拟不同H₂
O/NH₃
混合比(0-1.5)下的燃烧过程，利用反应分析工具(ReaxFF Analyzer)追踪中间产物演化路径。

H₂
O对NH₃
燃烧的影响
温度依赖实验显示，H₂
O在2400-2800 K区间使NH₃
氧化速率提升37%，活化能从82.6 kJ/mol降至68.4 kJ/mol。关键发现是0.5-0.75的H₂
O/NH₃
混合比可最大化OH自由基浓度，通过NH₃

• OH → NH₂
• H₂
  O路径加速反应。但在>3000 K高温时，热力学主导作用使H₂
  O效应消失。

NOx形成路径调控
原子轨迹分析揭示了H₂
O引入的新转化路径：1）抑制HNO + O → NO + OH的传统路径；2）促进HNO + H ? NO + H₂
的可逆反应。这种"分子开关"效应使NO峰值浓度降低52%，且N₂
O生成路径从NH₂

• NO → N₂
  O + H₂
  O转变为N + NO → N₂
  O。

结论与意义
该研究不仅证实H₂
O可通过"低温催化-高温惰性"的双重特性优化燃烧效率，更首次从原子层面阐明其通过重构氮转化网络抑制NOx的机制。特别值得注意的是，0.75混合比下NO减排效果最佳，这为开发"氨-水共燃"清洁发动机技术提供了精确的理论指导。研究建立的ReaxFF MD分析框架，也为其他含氮燃料的污染物控制研究开辟了新思路。