单棒状生物质炭颗粒在富氧燃烧中长径比与气氛对反应行为影响的数值研究

本文推荐：该研究通过数值模拟揭示了棒状生物质炭颗粒在富氧燃烧(Oxy-fuel)过程中，长径比（Aspect Ratio）与反应气氛对燃烧行为的协同调控机制。创新性提出铁基催化剂（Fe/ZSM-5）的双功能机理（Bifunctional Mechanism），证实CH4第二C-H键断裂为决速步（RDS），并量化了金属活性位点（Fe2+）与布朗斯特酸位点（BAS）的协同效应，为高性能甲烷脱氢芳构化（MDA）催化剂设计提供理论支撑。

　　

Highlight

本研究通过"一锅法"策略精准调控Fe/ZSM-5催化剂的铁物种分散度与酸性位点密度，首次揭示铁基催化剂在甲烷脱氢芳构化(MDA)中的双功能机制：铁活性位点(Fe²⁺)催化CH₄偶联脱氢生成乙烯中间体，布朗斯特酸位点(BAS)决定芳烃选择性。

催化剂制备

采用次氯酸钠氧化法制备不同铁负载量的Fe/ZSM-5：将NaClO溶液与Fe(NO₃)₃·9H₂O混合生成紫红色铁酸盐前驱体，再与硅铝源共晶化。紫外光谱(UV-Vis)显示铁物种以孤立态(框架铁)、交换态铁离子和低聚氧化铁形式存在。

铁含量对MDA反应的影响

XRD与CO化学吸附表明：当铁负载<1wt%时，铁高度分散为活性Fe²⁺；负载量>3wt%则形成Fe₃O₄团簇易导致积碳。原位红外(in-situ DRIFTS)捕捉到CH₄在Fe位点解离为·CH₃的关键中间体。

结论

密度泛函理论(DFT)计算证实：

1. MDA遵循"烃池机制"，苯环生成需BAS参与缩聚；

2. 最佳催化剂需满足：

   • 高分散Fe_xO_y物种(粒径<2nm)

   • BAS密度≈0.45mmol/g

3. 金属-酸位点协同因子γ=0.68时芳烃收率最高(23.7%)。

创新点

像"分子手术刀"般精准调控Fe/ZSM-5的活性位点微环境，为设计"抗积碳"MDA催化剂提供新范式。