研究背景
生物燃料作为一种可再生能源，其性质与普通汽油和柴油非常相似。呋喃类生物燃料作为最具代表性的第二代生物燃料具有众多优点，如生产原料主要为纤维素而非粮食以及油料作物，不会与国家粮食保障的规定形成矛盾，并且此类生物燃料与石油的能量密度相当，这样将其与石油燃料混合不会引起发动机性能结构的重大改变。2,5-二甲基呋喃 (DMF) 是一种典型的呋喃类生物燃料，具有许多优点：能量密度与汽油相似、高沸点以及不溶于水等。基于此，本文主要进行DMF对正庚烷/异辛烷的碳烟纳米结构演变研究。
研究方法
结合层流扩散燃烧实验，本文采用 AMS 软件中 ReaxFF MD方法模拟研究了2,5-二甲基呋喃掺混对正庚烷/异辛烷的碳烟纳米结构演变。
成果简介
研究表明，随DMF掺混比的增加，正庚烷/异辛烷的层流扩散火焰高度逐渐升高。在高度一致的情况下，采集到的初级碳烟颗粒数量先减小后增加；初级碳烟颗粒的尺寸也随着DMF掺杂比的增大先增大后减小。透射电子显微镜（TEM）分析表明，DMF最初抑制了正庚烷/异辛烷火焰中初级碳烟颗粒产生，随后又促进了其生长。随着DMF掺混比的增加，核壳比先增大后减小，这表明碳烟的成熟度先减小后增大。在ReaxFF MD模拟中，掺混了DMF的正庚烷/异辛烷热解过程分为：燃料在第一阶段分解，在第二阶段发生剧烈反应。碳烟前驱体持续发生反应，分子尺寸不断增大，多环芳烃（PAHs）持续增加。第三阶段，最大分子的含碳原子数缓慢增加，碳烟发展进入成熟阶段，H/C比值缓慢下降。通过ReaxFF MD模拟发现，随着DMF掺混比的增加，碳烟的成熟度呈现先减小后增大的趋势。类石墨烯结构主要集中在H/C比为0.297的区域。
图文导读
参考文献
- W. Dong, R. Hong, Y. Yang, D. Wang, B. Qiu, H. Chu. Analysis of the nanostructure evolution of soot in n-heptane/iso-octane with 2,5-dimethylfuran addition: A combined experimental study and ReaxFF MD simulations. Combustion and Flame, 2024; 270: 113751. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2024.113751
感谢安徽工业大学楚化强教授团队供稿。
作者简介
楚化强教授，教授/博士生导师，安徽省杰出青年基金获得者、宝钢优秀教师，华中科技大学与加拿大国家研究院联合培养博士。先后入选全球前2%顶尖科学家榜单、安徽省战略性新兴产业技术领军人才和山东省德州市C类人才（省级领军人才）。获安徽省“高水平导师”、安徽省“争做新时代向上向善好青年”、安徽省“教坛新秀”等荣誉称号。主要从事低碳燃烧与能源利用、燃料催化合成、多相流界面气泡/液滴动力学研究。在Nano Res.、Renew. Sust. Energ. Rev.、Combust. Flame等权威期刊上发表SCI/EI论文108篇，H指数33，被引用4200余次，12篇论文入选ESI高被引/热点论文(3篇)，授权国家发明专利12项，主持国家/省部级项目12项，其中国家自然科学基金5项。主持教育部高等学校能源动力类专业教育教学改革项目2项（结题均为优秀），获安徽省教学成果奖二等奖1项、三等奖2项。曾获安徽省自然科学奖三等奖、中国发明创业奖创新奖二等奖、中冶集团科学技术奖二等奖、中国光学工程学会科技进步奖二等奖。中国工程热物理学会传热传质青年委员会委员、全国青年燃烧学术会议程序委员会委员、全国分析与应用裂解学术会议理事、中国内燃机学会后处理技术分会委员，第三批江苏省“企业创新岗”特聘专家（科技副总）。担任《安徽工业大学学报(自科版)》编委会委员、Rare Metals青年编委、Energy & Environmental Materials青年编委、International Journal of Coal Science & Technology科学编辑(青年编委)、Carbon Neutrality青年编委、《过程工程学报》首届青年编委、《煤炭科学技术》青年编委、《发电技术》首届青年编委、《热力发电》首届青年编委。指导学生获安徽省优秀硕士学位论文、国家级科技竞赛A类赛事9项(一等奖3项、二等奖2项、三等奖2项)，并获全国能源动力类专业百篇优秀本科毕业论文(设计)指导教师(3次)。
董文龙，博士研究生，安徽工业大学能源与环境学院博士生。师从楚化强教授，主要研究方向为火焰动力学和低碳燃料碳烟生成特性。董文龙博士以第一作者在Combustion and Flame、Fuel、Energy & Fuels等权威期刊上发表高水平论文5篇。
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