【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學曾杰教授、姚濤教授、王占東教授、李洪良副教授團隊合作，在氨動力發動機研究領域取得重要進展。他們提出并驗證了甲烷介導的氨動力發動機構想，相關成果以“A Scenario for a Carbon-Neutral Ammonia-Fueled Engine Mediated by Catalytic NH3 Cracking and CO2 Hydrogenation”為題發表在國際著名學術期刊《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202420292)上。
氨動力發動機在實現碳中和方面展現了巨大的潛力。然而，氨氣作為發動機燃料的應用面臨著如火焰傳播速度低、自燃溫度高、點火能量高以及燃燒極限窄等挑戰。另外，在氨動力發動機應用中，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新的氨氣動力發動機構想，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合(圖1)，間接實現了氨氣的燃燒(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。為實現這一過程，研究團隊設計了“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生氮氣和氫氣(2NH3= N2+ 3H2)，氨氣的轉化率達到~100%；裂解產生的氫氣與尾氣中的二氧化碳反應，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，生成氮氣、甲烷和水(3CO2+ 8NH3= 3CH4+ 4N2+ 6H2O)，氨和二氧化碳的轉化率分別達到80.1%和49.3%。這兩種方式均實現了氨氣與氧氣的非接觸性反應，從而避免了氮氣的過度氧化生成氮氧化物。采用該設計，可以將傳統的甲烷燃料發動機改造成氨氣動力發動機。基于這一設計理念，其他成熟的汽油或柴油驅動的發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，改造為氨動力發動機。
圖1.研究團隊提出的甲烷介導的氨動力發動機概念圖
中國科學技術大學特任副研究員任杰為論文第一作者。中國科學技術大學曾杰教授、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計劃、國家自然科學基金、中國科學院等項目經費的支持。
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