清华大学能动系和燃烧能源中心隋然课题组在丙烷的催化燃烧反应动力学及其压力依赖研究中取得新进展
近日，清华大学能源与动力工程系和燃烧能源中心隋然课题组的文章《Surface kinetics and pressure dependence of propane oxidation over platinum》在同行评议中以四个“Excellent”的优异成绩被第四十届国际燃烧大会（40th International Symposium on Combustion）接收为口头报告。
丙烷是液化石油气（LPG）的主要成分和天然气的一种重要成分。与汽油、柴油等传统燃料相比，丙烷具有较低的价格和单位碳排放；与氢、氨等新兴零碳燃料相比，丙烷又具有易于液化输运、无毒、无腐蚀性等优势。同时，丙烷还是一种有代表性的挥发性有机污染物（VOC）。因此，基于环保性与经济性的多重考虑，丙烷的催化燃烧将在众多工业应用中变得愈发重要。铂是催化丙烷燃烧的最佳催化剂之一，然而目前对于丙烷在铂上完全氧化的详细反应动力学模型尚未建立；此外，现有大部分关于丙烷催化氧化的研究都是在常压或低压条件下开展的，缺乏与能源动力相关的高压研究。
为了填补上述研究空白，本工作首先采用微量热实验测量了1-7 bar下表面反应的热释放，并在此基础上提取了1-7 bar压力下的总包反应动力学参数。在此基础上，根据总包机理推导出了丙烷在铂上的解离吸附与随后分解的两步“伪”基元反应的动力学参数，结合Olaf Deutschmann开发的H-C2子机理（Appl. Catal. B-Environ. 91 (2009) 47-58），构建出了常压下丙烷在铂上氧化的详细催化机理。如图1所示，使用该详细机理与总包反应机理的模拟良好地复现了实验测量结果。
图1 催化机理的CFD模拟结果与实验验证。阴影区域表示实验误差范围。
更重要的是，本研究还揭示了丙烷在铂上的催化反应活性与压力之间的复杂关系（图2）。当反应温度低于630 K时，催化活性随压力表现出罕见的非单调依赖行为，即催化活性在压力为1-3.5 bar之间呈上升趋势，但是其随着压力的进一步增加而逐渐降低。这种非单调的变化趋势随反应温度的升高而逐渐减弱，最终在催化剂温度达到650 K后转变为随压力的单调递增。由此可以看出，在设计或者使用以铂为催化剂的催化燃烧器时，应仔细考虑复杂的压力依赖关系。
图2 不同反应温度下催化活性的压力依赖关系
总结：本工作结合微量热法、催化剂表面分析以及CFD模拟研究了贵金属铂催化丙烷完全氧化的化学反应动力学，开发了不同压力下的催化机理，并揭示出催化活性随压力及温度的复杂依赖关系。
清华大学能动系和燃烧中心博士后张方港为该论文的第一作者，隋然老师为论文的通讯作者。本研究工作得到了国家海外高层次人才计划青年项目（“催化燃烧理论与应用”）、国家自然科学基金（基金号 52206157）和上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室基金（基金号 202207）的资助支持。
供稿：隋然课题组
审核：刘有晟、游小清
