研究背景
在碳中和战略背景下，可再生生物燃料的研发与应用已成为可持续发展的核心方向之一。通过代谢工程定向合成的单萜及倍半萜类化合物，被视作极具潜力的喷气燃料替代组分；其中，代表物质对孟烷（p-menthane）作为环烷烃替代组分，已实现商业航空飞行应用。然而，对孟烷的燃烧性能弱于直/支链烷烃，存在点火延迟长、燃烧不充分等缺陷。贵金属纳米颗粒（如 Pd、Pt）在催化燃烧领域表现出优异活性，尤其在促进脱氢、C–C 键断裂及氧化反应中独具优势，已被广泛应用于催化燃烧过程。但目前关于 Pd 与 Pt 的催化作用机制，尚缺乏微观层面的系统阐释，二者在反应路径选择、能垒调控及原子迁移行为等方面的本质差异仍不明确。为此，采用可精准描述复杂断键成键过程的反应性分子动力学（ReaxFF-MD）方法，系统探究 Pd、Pt 纳米颗粒催化对孟烷燃烧的微观机制，不仅有助于揭示两种贵金属催化性能的核心差异，更能为高效生物燃料燃烧体系的理性设计提供关键理论支撑。
研究内容
天津大学刘国柱教授课题组采用反应性分子动力学（ReaxFF MD）模拟，系统研究了 Pd 与 Pt 纳米颗粒催化对孟烷燃烧过程中的反应行为差异，重点分析了两种贵金属在点火行为、反应路径演化以及中间体生成方面的不同作用。作者构建了包含金属纳米颗粒、燃料分子与氧气的多组分反应体系，通过高温条件下的长时间动力学模拟，定量比较了 Pd 与 Pt 对 p-menthane 燃烧活化过程的强化效果。相关研究为理解贵金属催化燃烧的微观机制及其材料选择提供了理论依据。
对孟烷是一种具有稳定环状骨架的饱和生物燃料，其燃烧过程通常受限于初始脱氢与开环反应。模拟结果表明，在 Pd 与 Pt 纳米颗粒存在下，对孟烷的初始脱氢、C–C 键断裂及氧化反应均被显著加速，但两种金属表现出明显不同的催化特征。相比之下，Pd 更倾向于促进连续脱氢和小分子生成，而 Pt 则更有效地诱导环结构开裂并加速 CO、CO₂ 等氧化产物的形成。两种体系中关键中间体的生成顺序与寿命分布存在显著差异，反映出金属表面对反应路径选择的调控作用。
作者进一步通过分析反应事件统计、原子迁移行为以及金属应力分析，并辅以DFT计算，揭示了 Pd 与 Pt 催化差异的本质来源。结果表明，金属表面对氢原子与碳基中间体的结合强度不同，直接影响了脱氢速率与氧化反应的竞争关系，从而导致整体燃烧行为的差异。该研究从原子尺度阐明了贵金属催化生物燃料燃烧的机制差别，为高效燃烧催化剂的理性设计提供了重要理论指导。
总结
本文利用AMS软件中的REAXFF模块，系统研究了 Pd 与 Pt 纳米颗粒催化对孟烷燃烧的微观机制。研究发现，贵金属纳米颗粒能够显著降低燃烧反应的初始活化难度，并明显改变反应路径的演化方式，其中 Pd 与 Pt 在脱氢、开环及后续氧化反应中的催化作用存在显著差异。此外，金属表面对关键中间体与氢原子的吸附行为是造成燃烧行为差异的关键因素。该工作从原子尺度揭示了贵金属催化生物燃料燃烧的本质差别，验证了分子动力学方法在燃烧机理研究中的有效性，为高效生物燃料燃烧催化剂的设计提供了理论指导。
参考文献
- Y. Wang, Y. Wu, J. Guo, and G. Liu. Enhanced combustion mechanism of biofuel p-menthane over Pd and Pt nanoparticle using ReaxFF molecular dynamics simulation, Chem. Eng. Sci. 324, 123376 (2026). https://doi.org/10.1016/j.ces.2026.123376
感谢王博士供稿！