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本科生

聚焦氢气臭氧催化研究,关注现象背后物理本质

2019-04-14

聚焦氢气臭氧催化研究,关注现象背后物理本质

——清华大学燃烧能源中心2016级烽火班学生王一如与梁文恺、罗忠敬教授合作在Combustion and Flame发表文章

2019年4月4日,2016级烽火班学生王一如的文章Role of ozone doping in the explosion limits of hydrogen-oxygen mixtures: Multiplicity and catalyticityCombustion and Flame上发表。梁文恺为第一作者兼通讯作者,王一如为第二作者,罗忠敬教授为第三作者。

普林交换期间组会汇报后合影(右3为罗忠敬教授,左4为梁文恺,右2为王一如)

氢气作为一种燃料,不仅是强大的化学能源,例如火箭推进剂,也是理想的清洁能源,在工业发电厂中的使用可以消除温室气体排放等环境问题。目前,对于氢气的成功利用主要面临两个挑战:一是氢气热力学反应状态的多样性,二是如何选择催化剂以操纵氢气固有的强反应性。针对以上问题,王一如与梁文恺、罗忠敬教授研究了臭氧参杂对H2-O2混合物的Z形非单调响应的作用。研究表明,尽管O3的参与确实可以在促进点火方面发挥其强大的催化作用,但低水平的掺杂使较低浓度的O3(0.72%-0.73%)可以引入额外的系统多样性,导致系统不易受操纵,更易在局部和全局上表现出不稳定的燃烧状态。而加入略多的O3则使其体现出良好的催化潜力,此时爆炸极限由H2-O3而非H2-O2化学主导,爆炸极限曲线呈单调变化,易于操纵,且整体更易燃。文章对氢氧混合物的臭氧催化进行了前瞻性的研究,发现了少量臭氧掺杂时的不稳定性,为后续研究提供了对比和参照。王一如阐述,本次研究仅对于化学计量比下的氢氧混合物进行了催化研究,后续可研究富油和贫油情况下爆炸极限的内在反应机理,以及惰性气体稀释条件下爆炸极限所产生的变化。

普林交换期间合影(从左至右:王一如,梁文恺,罗忠敬教授,孙清晗)

此次研究为王一如2018年在普林斯顿大学进行暑期研究期间所做的工作。“当时已经有一些关于甲烷等燃料的臭氧催化研究,但对于氢气这一重要燃料的臭氧催化,暂时还处于空白状态。”王一如介绍:“由于本次研究主要是数值模拟,因此不需要进行大量的实验,只需要利用计算机不断模拟即可。梁文恺学长和罗教授对于相关研究有大量的经验,期间通过不断地交流,确保研究的大体方向把握得较为准确。”作为一个大二学生,王一如对专业知识的掌握有限,这影响到了文献的阅读和初期的研究工作。认识到自身不足,王一如投入到更加深入、具体的学习中。自学燃烧学相关章节,阅读大量相关文章,积极与学长沟通交流……王一如努力克服困难,逐渐在这一领域积攒了一定的知识储备。运用自身具备的专业知识和技能,包括燃烧学中关于氢氧混合物的反应机理知识、爆炸极限及反应路径之间的相互竞争知识、SENKIN代码的相关使用方法,王一如顺利完成了此次研究。

王一如作学术报告

王一如生活照

在研究一步步展开的过程中,罗忠敬教授的教导使王一如受益颇深:“永远要关注现象背后的物理本质是什么。”王一如表示,在研究中,曾经面对一些具体问题时,自己未能明确其背后的作用机理,甚至忽略了物理本质,导致对问题的分析不够透彻,甚至偏离了研究方向。通过罗教授的教导和自身的探索,王一如深刻体会到,只有看清了问题的物理本质,才能准确把握研究的主题方向,更有效地进行研究分析。

这篇文章的完成,使王一如对燃烧中的化学动力学以及反应机理部分知识有了更加深入的了解,为其后续学习带来了极大的便利。与此同时,海外新鲜而充实的研修生活,使王一如感受到了不同国家的科研、生活的不同文化氛围。在获得了一定的科研信心的同时,王一如意识到自身仍存在着许多不足,未来有待研究的方面更广。

采写:高张宇

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