钙催化煤热解生成高能量密度航空燃料前驱体的反应机制：基于ReaxFF分子动力学与实验的多尺度研究

本文推荐：该研究通过ReaxFF MD（反应力场分子动力学）模拟与实验相结合，首次揭示了煤热解过程中萘（高能量密度燃料关键前体）形成的详细反应路径及钙催化增强机制。研究发现钙催化可使大分子裂解速率提升75%，萘衍生物产率增加56%，为煤基HED（高能量密度）航空燃料前体的定向调控及钙基催化剂设计提供了关键理论支撑。

　　

Highlight

本研究通过实验与ReaxFF MD模拟相结合，首次阐明煤热解中萘形成的原子级反应网络及钙催化机制。追踪碳骨架演化发现，萘生成存在8条路径（包括单环芳烃C₁₃₃H₁₈₈断裂重组的新路径），其中大分子裂解途径占76.4%。钙的引入不仅使裂解速率提升75%，还通过催化萘酚脱羟基等新路径使萘衍生物产率提升56%。

Effect of temperature

热解温度是影响产物分布的关键因素。尽管萘衍生物总产率在450-850°C范围内对温度波动不敏感，但本研究基于煤焦油高效综合利用目标优化了终温选择。通过DH-Hsq（脱灰处理煤样）三相产物分析发现，中低温区（500-600°C）钙催化可显著抑制缩合反应，促进萘选择性生成。

Conclusion

研究揭示钙通过双重机制催化煤基HED燃料前体合成：1）动态锚定酚羟基，抑制自由基缩合；2）促进C_ar-O键断裂，加速萘基团释放。该发现为设计高效钙基催化剂（如优化Ca-O配位结构）及开发新型煤制航空燃料工艺提供了原子尺度理论依据。