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聚焦氫氣臭氧催化研究,關注現象背后物理本質——清華大學燃燒能源中心2016級烽火班學生王一如與梁文愷、羅忠敬教授合作在Combustion and Flame發表文章
時間:2019-04-16 22:02

聚焦氫氣臭氧催化研究,關注現象背后物理本質

——清華大學燃燒能源中心2016級烽火班學生王一如與梁文愷、羅忠敬教授合作在Combustion and Flame發表文章

201944日,2016級烽火班學生王一如的文章Role of ozone doping in the explosion limits of hydrogen-oxygen mixtures: Multiplicity and catalyticityCombustion and Flame上發表。梁文愷為第一作者兼通訊作者,王一如為第二作者,羅忠敬教授為第三作者。


普林交換期間組會匯報后合影(右3為羅忠敬教授,左4為梁文愷,右2為王一如)

氫氣作為一種燃料,不僅是強大的化學能源,例如火箭推進劑,也是理想的清潔能源,在工業發電廠中的使用可以消除溫室氣體排放等環境問題。目前,對于氫氣的成功利用主要面臨兩個挑戰:一是氫氣熱力學反應狀態的多樣性,二是如何選擇催化劑以操縱氫氣固有的強反應性。針對以上問題,王一如與梁文愷、羅忠敬教授研究了臭氧參雜對H2-O2混合物的Z形非單調響應的作用。研究表明,盡管O3的參與確實可以在促進點火方面發揮其強大的催化作用,但低水平的摻雜使較低濃度的O30.72%-0.73%)可以引入額外的系統多樣性,導致系統不易受操縱,更易在局部和全局上表現出不穩定的燃燒狀態。而加入略多的O3則使其體現出良好的催化潛力,此時爆炸極限由H2-O3而非H2-O2化學主導,爆炸極限曲線呈單調變化,易于操縱,且整體更易燃。文章對氫氧混合物的臭氧催化進行了前瞻性的研究,發現了少量臭氧摻雜時的不穩定性,為后續研究提供了對比和參照。王一如闡述,本次研究僅對于化學計量比下的氫氧混合物進行了催化研究,后續可研究富油和貧油情況下爆炸極限的內在反應機理,以及惰性氣體稀釋條件下爆炸極限所產生的變化。

普林交換期間合影(從左至右:王一如,梁文愷,羅忠敬教授,孫清晗)

此次研究為王一如2018年在普林斯頓大學進行暑期研究期間所做的工作。“當時已經有一些關于甲烷等燃料的臭氧催化研究,但對于氫氣這一重要燃料的臭氧催化,暫時還處于空白狀態。”王一如介紹:“由于本次研究主要是數值模擬,因此不需要進行大量的實驗,只需要利用計算機不斷模擬即可。梁文愷學長和羅教授對于相關研究有大量的經驗,期間通過不斷地交流,確保研究的大體方向把握得較為準確。”作為一個大二學生,王一如對專業知識的掌握有限,這影響到了文獻的閱讀和初期的研究工作。認識到自身不足,王一如投入到更加深入、具體的學習中。自學燃燒學相關章節,閱讀大量相關文章,積極與學長溝通交流……王一如努力克服困難,逐漸在這一領域積攢了一定的知識儲備。運用自身具備的專業知識和技能,包括燃燒學中關于氫氧混合物的反應機理知識、爆炸極限及反應路徑之間的相互競爭知識、SENKIN代碼的相關使用方法,王一如順利完成了此次研究。


王一如作學術報告

王一如生活照

在研究一步步展開的過程中,羅忠敬教授的教導使王一如受益頗深:“永遠要關注現象背后的物理本質是什么。”王一如表示,在研究中,曾經面對一些具體問題時,自己未能明確其背后的作用機理,甚至忽略了物理本質,導致對問題的分析不夠透徹,甚至偏離了研究方向。通過羅教授的教導和自身的探索,王一如深刻體會到,只有看清了問題的物理本質,才能準確把握研究的主題方向,更有效地進行研究分析。

這篇文章的完成,使王一如對燃燒中的化學動力學以及反應機理部分知識有了更加深入的了解,為其后續學習帶來了極大的便利。與此同時,海外新鮮而充實的研修生活,使王一如感受到了不同國家的科研、生活的不同文化氛圍。在獲得了一定的科研信心的同時,王一如意識到自身仍存在著許多不足,未來有待研究的方面更廣。

采寫:高張宇
編輯:羅磊 
審核:劉有晟

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