乙醇-氨混合燃料高温裂解与氧化机制的原子尺度解析及动力学研究

为揭示乙醇(EtOH)与氨(NH3)混合燃烧提升反应活性的微观机制，西安科研团队采用ReaxFF-MD反应力场分子动力学模拟，系统研究了高温条件下EtOH/NH3混合燃料的裂解路径与氧化动力学。研究发现OH自由基在促进NH3快速分解中起关键作用，缺氧条件下燃烧速率与NH3浓度呈正相关，为绿色燃料高效利用提供了新策略。

　　

在全球能源转型与"双碳"目标背景下，传统化石燃料的高碳排放与可再生能源的清洁特性形成鲜明对比。生物乙醇(EtOH)作为典型的生物质能源，虽具有氧含量高、抗爆性好的优点，但其低能量密度和长点火延迟时间制约了应用。而零碳燃料氨(NH₃)虽储运便捷，却面临反应活性低、燃烧速度慢的挑战。有趣的是，现有研究表明两者混合燃烧能显著改善燃烧性能，但微观机制尚不明确——这正是西安研究人员在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文的核心突破点。

研究团队创新性地采用ReaxFF反应力场分子动力学(ReaxFF-MD)方法，通过追踪原子键断裂/形成轨迹，揭示了3000K高温下EtOH/NH₃混合体系的反应网络。关键技术包括：1)构建不同当量比(λ=0.53-1.0)的混合燃料模型；2)采用ReaxFF-lg势函数描述反应过程；3)通过反应物消耗速率和自由基浓度定量分析动力学参数；4)结合第一反应动力学理论预测点火延迟时间(IDT)。

高温裂解机制
在S₁反应条件(3000K无氧)下，EtOH优先裂解产生OH自由基，后者攻击NH₃生成NH₂和H₂O，形成链式反应加速燃料分解。次级反应中C₂H₄、CH₄等中间体的生成证实了自由基参与的复杂反应网络。

氧化反应动力学
在S₅工况(3000K, λ=0.53)下，OH和HO₂自由基浓度峰值较纯EtOH燃烧提升47%，推动关键反应NH₂+OH→NH+H₂O的进行。缺氧条件下，NH₃浓度增加20%可使燃烧速率提高35%，证实其作为氢载体的促进作用。

燃烧效率优化
当NH₃添加比例达30%时，混合燃料的点火延迟时间缩短至纯EtOH的62%，且最终产物中CO₂排放量降低28%，实现燃烧效率与环保性能的协同提升。

该研究首次在原子尺度阐明了EtOH/NH₃混合燃烧的"自由基链式反应"机制，特别是揭示了OH自由基在桥接两种燃料反应路径中的核心作用。研究提出的最佳混合比例(30%NH₃)和S₅工况参数，为高原/太空等特殊环境下的绿色燃料应用提供了理论依据。通过ReaxFF-MD方法构建的微观反应数据库，不仅弥补了实验难以获取高温瞬态数据的缺陷，更为后续燃料分子设计提供了可扩展的计算框架。这项工作由Xuan Yu、Zhongquan Gao等学者完成，得到西安市科技计划项目的支持，其成果对推进碳中和目标下的能源结构转型具有重要战略意义。