《Chemical Engineering Journal》：Multiscale mechanistic study into cellulose pyrolysis and
Co-pyrolysis with polyethylene via ReaxFF molecular dynamics and experimental validation
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张宇|穆罕默德·萨贾德·艾哈迈德|周文军|李颖娜|曹荣普|沈宝雄中国天津市300401，河北工业大学能源与环境工程学院，清洁能源与污染控制天津重点实验室摘要了解生物质与塑料共热解的分子机制对于优化将混合废物转化为清洁燃料至关重要。本研究结合快速Py-GC/MS实验（400–700
张宇|穆罕默德·萨贾德·艾哈迈德|周文军|李颖娜|曹荣普|沈宝雄
中国天津市300401，河北工业大学能源与环境工程学院，清洁能源与污染控制天津重点实验室
摘要
了解生物质与塑料共热解的分子机制对于优化将混合废物转化为清洁燃料至关重要。本研究结合快速Py-GC/MS实验（400–700℃）与ReaxFF分子动力学模拟（2000–2600 K），揭示了纤维素热解及其与聚乙烯共热解过程中温度依赖性的反应路径（CELL:PE = 3:1）。温度升高会降低轻质焦油的产量，同时增加重质焦油和焦炭的生成量，这一趋势在模拟中得到了一致验证。ReaxFF-MD表明，较高温度会加速二次缩合与交联反应，从而加剧物质聚集，并通过协同脱氢和脱水作用促进氢气与水的生成。与单独热解纤维素相比，共热解过程无机气体的产生量有所减少（约2.5–20%），而有机气体的生成则更为稳定，且氢气与水的比例也有所提高。通过分析连续的自由基生成过程——H?O → CO → H? → CO?——以及电荷转移现象，可以发现氧化程度逐渐加深，焦炭也日益成熟（H/C和O/C比率下降）。这种模拟与实验相结合的方法有助于确定能够在减少无机气体产生的同时增加含氢气体产量的最佳温度范围，为设计温度可控的生物质-塑料转化反应器提供了实用指导。
章节摘录
缩写
| ReaxFF MD | 反应力场分子动力学 |
| LAMMPS | 大规模原子/分子并行模拟器 |
| Py-GC/MS | 气相色谱-质谱联用技术 |
| EEM | 电负性均衡法 |
| PE | 聚乙烯 |
| CELL | 纤维素 |
| C3:P1 | 纤维素与聚乙烯按3:1比例混合的材料 |
材料
聚乙烯（PE，粒度为16–2000目）购自中联塑料有限公司。纤维素粉末（α-纤维素，化学式为(C?H??O?)?，分子量为162.06，粒径为90 μm）则购自上海阿拉丁生化科技有限公司。
实验方法
采用气相色谱-质谱联用技术对纤维素进行热解，以分析400至700℃范围内（温度间隔为100℃）纤维素热分解产生的焦油产物分布情况。气相色谱-质谱联用实验是通过以下方式进行的
关于纤维素Py-GC/MS热解油的研究
为研究不同热解温度下纤维素热解产生的焦油产物分布情况，研究人员使用气相色谱-质谱联用技术在400至700℃范围内对纤维素进行了快速热解。不同热解温度下的总离子色谱图如图2a所示。
从总离子色谱图中可以看出，随着热解温度的升高，小分子产物的种类逐渐增多，其对应的峰高也逐步上升
结论
本研究构建了一个经过验证的多尺度机理框架，用于分析纤维素及其与聚乙烯的共热解过程。该框架将ReaxFF-MD模拟与气相色谱-质谱联用实验相结合，实现了从原子级化学反应到产物分布情况的深入研究。
- 1.
温度效应：随着热解温度的升高（2000–2600 K / 400–700℃），二次反应加剧，产物选择性由轻质焦油向重质焦油和焦炭转变。
- 2.
协同共热解效应：加入聚乙烯后（CELL:PE = 3:1），相关反应效果显著提升
CRediT作者贡献说明
张宇：撰写原文初稿、开展实验研究、进行正式分析。穆罕默德·萨贾德·艾哈迈德：参与文章审阅与编辑、撰写原文初稿、验证研究结果、进行正式分析以及概念构思。周文军：负责软件应用、方法设计、实验研究以及数据整理工作。李颖娜：承担可视化处理、结果验证以及数据整理任务。曹荣普：负责可视化制作、方法设计以及实验研究。沈宝雄：参与文章审阅与编辑、结果验证、项目监督、资源协调以及项目整体管理，同时还负责概念构思工作。
利益冲突声明
本项目是由天津市科技计划项目资助的（项目编号：24YFZCSN00230）
