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화석 에너지의 사용은 현대 사회의 고속 발전에서 중요한 기초가 되고 있다. 민생경제와 국가 전략적 경쟁력과 매우 깊은 관계가 있어서 중국도 많은 관심을 기울이고 있다. 점화특성은 연료 연소 특정의 중요한 기초 데이터가 됨과 동시에 연소반응의 속도론 모형 및 그 모형을 간단하게 하는데 중요한 근거가 된다. 또 다른 면에서는 연료가 불완전 연소하여 휘발성 유기화합물 (VOC)를 만들어내는데 여기에는 미반응한 연료와 부분 산화된 화합물이 포함되는데 VOC는 대기 오염의 중요한 원인이 된다. 자연환경과 사람의 건강에 해가 크기 때문에 속히 불균일 촉매에 의해서 제거가 되어야 한다. 불균일 촉매 제거가 시급히 필요하다. 따라서 광범위한 압력 범위에서 화석 연료의 균일 및 불균일상에서 저온 산화 동력학 연구는 그 점화특성 및 오염물 생성 및 제거 메커니즘에 있어서 중요한 전략적 중요성을 갖는다. 최근 들어서 중국과학원 공정 열물리 연구소 순환 유동상 실험실은 연소 in situ(현장) 진단, 동력학 모사, 촉매연소 등 방면에서 연구를 시작하였다. In situ 진단 영역에서 항공 모형 연료 저온 산화의 제트 교반 반응기 시스템을 사용하여 크로마토 그래피 및 분자 빔 질량 분광계를 결합하여 체계적으로 알킬벤젠 연료의 산화 동력학을 연구하고 연료의 구조와 중간 생성물 및 반응 동력학의 영향 관계를 분석하였다. 또한 기체 액체 연료 연소 동력학의 운반 유동 반응기를 설계하여 분자빔 샘플링시스템과 결합하여 다른 연료연소 과정중에서 발생하는 중간 물질의 구조와 2차 공간 분포 정보를 얻어서 동력학 모형을 만들기 위한 신뢰성 있는 데이터를 얻었다. 또한 촉매 반응을 연구할 수 있는 새로운 통합 장치를 설계하였는데 이 설비에는 제트 교반 촉매 반응기와 in situ 확산 반사경 장치를 포함하고 있다. 기체상의 분자와 촉매 표면의 접촉 시간을 증가치키면서 in situ로 촉매 반응중에서 기체와 표면 중간 물질을 측적하여 다상반응 동력학 과정을 밝히면서 국제적으로 관련 연구에서 앞서가는 실험실이 되었다. 반응 속도론 시뮬레이션의 경에서는 비교적 큰 단일 고리 방향족 탄화수소의 산화 메커니즘을 밝히고 실험적으로 수십 종의 연소 및 산화 중간 물질을 관측하였으며 양자화학 계산을 결합하여 이러한 중간 산물의 열역학 및 화학반응의 반응 속도론 계수를 얻었다. 이를 통해 연료의 산화과정에서 발생되는 오염물의 생성 메커니즘에 대해서 반응 경로 및 민감성 분석을 진행하였다. 항공 모델 연료의 점화 메커니즘을 구축하였다. 특히, 연료 전환율이 온도에 반비례하는 관계를 반응 속도론적 관점에서 분석하여 새로운 항공 모델 연료의 개발에 있어서 중요한 데이터를 제공하게 되었다. 촉매 연소의 측면에서는 성분 제어가 가능한 촉매를 제조하기 위한 화학 기상 증착 방법(chemical vapor deposition, CVD)이 개발되었고, 단일, 이중 및 삼중 전이 금속 산화물 박막이 실험적으로 성공적으로 얻어졌으며, 촉매의 형성 메커니즘이 반응 속도의 관점에서 밝혀졌다. 새로운 활성 촉매의 개발에 필요한 견고한 이론 및 실험적 기초를 마련했으며, 현장에서의 진단으로 독창적으로 얻어지는 초음파 분자 빔 질량 분광법 및 현장 확산 반사에 의한 촉매 연소 기상 및 표면 반응 메커니즘을 연구하는 방법이 확립되었다. 이 방법은 in situ진단을 통해서 기상 연소 중간 물질과 표면 흡착 원자가 변화에 대한 정보를 얻을 수 있어서 촉매에 의한 연소 반응의 경로를 이해하고 정확한 촉매 연소 모형을 세우는데 실험 데이터를 제공하였다. 중간 및 표면 흡착 원자가 변화에 대한 정보는 촉매 연소 반응 경로를 이해하고 정확한 촉매 연소 모델을 수립 할 수 있는 실험적 데이터베이스를 제공하였다. 양자화학 계산을 통해 모델 배출 분자가 전이금속 산화물 표면 반응의 속도론 정보를 얻어서 기체 분자가 촉매 표면 흡착과 반응할 때, 활성화에너지 및 속도 상수를 얻을 수 있었다. 표면의 결함이 촉매 반응에 미치는 영향을 고려하여 이 촉매 반응에 미치는 영향을 고려하였으며 촉매 반응에 대한 ER, LH 및 MvK의 기여율을 계산하여 촉매 모델의 추가 개발을 이론적으로 뒷받침 하였다. 이러한 연구는 과학기술부의 중점 연구개발 계획 과제로 선정되어 국가자연과학기금 거대 연구 프로젝트 및 면상기금, 중국과학원 혁신 다제연구단 및 독일 훔볼트 기금의 지원으로 이루어졌다. 2018년 5월까지 관련 연구는 Combustion and Flame저널에 4편, Proceedings of the Combustion Institute저널에 6편, Applied Catalysis B: Environmental 및 Bioresource Technology, Chemical Engineering Journal등 연소 및 환경 관련 잡지에 30여편의 논문과 단행본 2장 및 특허 4개의 결과물을 산출하였다. |
