基于反应分子动力学的乙醇/氢气混合燃料燃烧机理研究

为揭示乙醇/氢气混合燃料的微观燃烧机制，研究人员采用反应力场分子动力学(ReaxFF MD)模拟技术，系统探究了不同H2掺混比对乙醇分解路径、自由基反应及活化能的影响。结果表明，H2的加入显著加速乙醇分解、提升系统放热并改变反应路径，为清洁燃料优化提供了理论依据。

　　

随着全球能源危机与环境问题日益严峻，开发高效清洁的替代燃料成为内燃机领域的迫切需求。乙醇作为一种可再生燃料，因其来源广泛、低毒和低碳排放特性被广泛应用于汽油、柴油及航空煤油发动机中。然而，乙醇燃料的低热值、高蒸发潜热及弱扩散性限制了其高效燃烧应用。氢气(H₂)因其高燃烧活性、快速火焰传播和低点火能等优势，成为改善乙醇燃烧性能的理想添加剂。尽管已有研究关注乙醇/氢气混合燃料的宏观燃烧特性，但其微观反应机制尚不明确。为此，中国研究人员通过反应力场分子动力学(ReaxFF MD)模拟，首次从原子尺度揭示了H₂掺混对乙醇燃烧的调控机制。

研究团队采用ReaxFF MD方法，构建了不同H₂掺混比(0-80%)的乙醇燃烧体系，模拟了3000K高温下的反应过程。通过分析分子轨迹、产物分布及能量变化，系统考察了H₂对乙醇分解动力学、自由基反应网络及活化能的影响。

H₂掺混对乙醇分解的影响
模拟结果显示，H₂的加入显著加速了乙醇(C₂H₆O)的分解速率，高掺混比(60-80%)体系在240 ps内即可完成分解。热力学分析表明，H₂通过提供活性H自由基，降低了乙醇C-C键断裂的活化能，使系统总放热量提升12-18%。

自由基反应路径重构
H₂改变了乙醇燃烧的典型自由基路径：在纯乙醇体系中，CH₃和CH₂OH是主要中间产物；而掺混H₂后，H和OH自由基浓度显著增加，促进了C₂H₄O等含氧化合物的快速转化。特别值得注意的是，当H₂掺混比超过50%时，H₂O生成路径从乙醇直接脱水转变为H+OH复合反应主导。

活化能与污染物控制
通过阿伦尼乌斯方程拟合发现，10% H₂掺混可使乙醇反应活化能降低23.5%。同时，H₂的加入抑制了CO和未燃碳氢化合物(HC)的生成，但可能导致NO_x排放增加，这与宏观发动机实验结果一致。

该研究首次从原子尺度阐明了H₂促进乙醇燃烧的微观机制：H₂通过提供活性氢原子重构自由基反应网络，降低关键能垒，从而提升燃烧效率。这一发现为乙醇/氢气混合燃料的工程应用提供了理论支撑，尤其对优化掺混比以平衡效率与排放具有指导意义。未来研究可结合量子化学计算，进一步验证关键过渡态结构，推动清洁燃料分子设计的发展。