【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授、姚濤教授、王占東教授、李洪良副教授團隊合作，在氨動力發(fā)動機研究領(lǐng)域取得重要進展。他們提出并驗證了甲烷介導(dǎo)的氨動力發(fā)動機構(gòu)想，相關(guān)成果以“A Scenario for a Carbon-Neutral Ammonia-Fueled Engine Mediated by Catalytic NH3 Cracking and CO2 Hydrogenation”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202420292)上。
氨動力發(fā)動機在實現(xiàn)碳中和方面展現(xiàn)了巨大的潛力。然而，氨氣作為發(fā)動機燃料的應(yīng)用面臨著如火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊汀⒆匀紲囟雀摺Ⅻc火能量高以及燃燒極限窄等挑戰(zhàn)。另外，在氨動力發(fā)動機應(yīng)用中，有害污染物氮氧化物的排放問題也尤為嚴重。如何解決氨氣作為燃料本身燃燒特性差、以及有害尾氣排放問題極其重要。
不同于以往直接燃燒氨氣，研究團隊提出了一種創(chuàng)新的氨氣動力發(fā)動機構(gòu)想，選擇甲烷作為媒介，將甲烷燃燒(CH4+ 2O2→ CO2+2H2O)與尾氣原位處理相結(jié)合(圖1)，間接實現(xiàn)了氨氣的燃燒(4NH3+ 3O2= 2N2+ 6H2O)，既保留了氨氣的零碳排放，又避免了氨氣燃燒的本身缺陷。為實現(xiàn)這一過程，研究團隊設(shè)計了“空間解耦”和“空間耦合”兩條路徑。第一種“空間解耦”路徑將尾氣處理分為兩步：首先負載型釕團簇催化劑催化氨氣裂解產(chǎn)生氮氣和氫氣(2NH3= N2+ 3H2)，氨氣的轉(zhuǎn)化率達到~100%；裂解產(chǎn)生的氫氣與尾氣中的二氧化碳反應(yīng)，在負載型鎳基催化劑作用下，生成甲烷(CO2+ 4H2= CH4+ 2H2O)，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率達到97.4%，甲烷的選擇性接近~100%。第二種“空間耦合”路徑為將氨和尾氣中的二氧化碳直接一起反應(yīng)，生成氮氣、甲烷和水(3CO2+ 8NH3= 3CH4+ 4N2+ 6H2O)，氨和二氧化碳的轉(zhuǎn)化率分別達到80.1%和49.3%。這兩種方式均實現(xiàn)了氨氣與氧氣的非接觸性反應(yīng)，從而避免了氮氣的過度氧化生成氮氧化物。采用該設(shè)計，可以將傳統(tǒng)的甲烷燃料發(fā)動機改造成氨氣動力發(fā)動機。基于這一設(shè)計理念，其他成熟的汽油或柴油驅(qū)動的發(fā)動機也可以通過將二氧化碳甲烷化替換為二氧化碳加氫制汽油或柴油反應(yīng)，改造為氨動力發(fā)動機。
圖1.研究團隊提出的甲烷介導(dǎo)的氨動力發(fā)動機概念圖
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任副研究員任杰為論文第一作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授、姚濤教授、王占東教授和李洪良副教授為該論文的共同通訊作者。本工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院等項目經(jīng)費的支持。
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