中国科学技术大学曾杰教授、姚涛教授、王占东教授、李洪良副教授团队合作，在氨动力发动机研究领域取得重要进展。他们提出并验证了甲烷介导的氨动力发动机构想，相关成果以“A Scenario for a Carbon-Neutral Ammonia-Fueled Engine Mediated by Catalytic NH₃ Cracking and CO₂ Hydrogenation”为题发表在国际著名学术期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202420292）上。

氨动力发动机在实现碳中和方面展现了巨大的潜力。然而，氨气作为发动机燃料的应用面临着如火焰传播速度低、自燃温度高、点火能量高以及燃烧极限窄等挑战。另外，在氨动力发动机应用中，有害污染物氮氧化物的排放问题也尤为严重。如何解决氨气作为燃料本身燃烧特性差、以及有害尾气排放问题极其重要。

不同于以往直接燃烧氨气，研究团队提出了一种创新的氨气动力发动机构想，选择甲烷作为媒介，将甲烷燃烧（CH₄+ 2O₂→ CO₂+2H₂O）与尾气原位处理相结合（图1），间接实现了氨气的燃烧（4NH₃+ 3O₂= 2N₂+ 6H₂O），既保留了氨气的零碳排放，又避免了氨气燃烧的本身缺陷。为实现这一过程，研究团队设计了“空间解耦”和“空间耦合”两条路径。第一种“空间解耦”路径将尾气处理分为两步：首先负载型钌团簇催化剂催化氨气裂解产生氮气和氢气（2NH₃= N₂+ 3H₂），氨气的转化率达到~100%；裂解产生的氢气与尾气中的二氧化碳反应，在负载型镍基催化剂作用下，生成甲烷（CO₂+ 4H₂= CH₄+ 2H₂O），二氧化碳的转化率达到97.4%，甲烷的选择性接近~100%。第二种“空间耦合”路径为将氨和尾气中的二氧化碳直接一起反应，生成氮气、甲烷和水（3CO₂+ 8NH₃= 3CH₄+ 4N₂+ 6H₂O），氨和二氧化碳的转化率分别达到80.1%和49.3%。这两种方式均实现了氨气与氧气的非接触性反应，从而避免了氮气的过度氧化生成氮氧化物。采用该设计，可以将传统的甲烷燃料发动机改造成氨气动力发动机。基于这一设计理念，其他成熟的汽油或柴油驱动的发动机也可以通过将二氧化碳甲烷化替换为二氧化碳加氢制汽油或柴油反应，改造为氨动力发动机。

图1.研究团队提出的甲烷介导的氨动力发动机概念图

中国科学技术大学特任副研究员任杰为论文第一作者。中国科学技术大学曾杰教授、姚涛教授、王占东教授和李洪良副教授为该论文的共同通讯作者。本工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院等项目经费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202420292

（工程科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、国家同步辐射实验室、科研部）