[发明专利]含能助燃催化剂及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种含能助燃催化剂，具体地说是一种能增加烷烃燃料燃烧热能的含能助燃催化剂及其应用。

背景技术

火焰温度是火焰的主要特征之一，它对火焰中化合物的形成和离解以及待测元素原子化都起着重要作用。在火焰中，一方面可燃混合气根据其燃烧反应产生大量热能，另一方面，由于火焰中化合物的解离，以及为了将火焰中存在的平衡混合物提高到火焰温度要求消耗热量，还有火焰气体燃烧时产生的体积膨胀，也要消耗部分能量，这两方面的热能平衡决定了火焰温度。

一般来说，不论是无机化合物还是有机化合物，当受到加热时，都可能引起某种不同程度的分解反应，这是由于化合物都是由原子组成的，各原子之间是靠原子的亲合力——化学键连接起来的，热分解就是化合物在受热作用而解体为原子或原子因破片的一种化学反应，化合物的热分解程度与加热的温度有直接关系，温度高低决定了热分解速度的快慢。

乙炔分解活化能约为192.46kj/mol，这种分解过程属于二级，与自由基或受激三重态乙炔有关。在高温下，烃类大都分解成炭黑和甲烷，乙炔的热解需要大量吸热，所以乙炔在爆燃时能分解成碳和氢。

乙炔热解在动力学上属于二级反应，涉及受激三重态电子态乙炔的形成反应。乙炔热分解在碳和氢之前的主要产物是联乙炔，通过用扫描飞行时间质谱仪对直接取自激波管的炽热产物进行产物的时间分辨研究证实，C₄H₃是最早的产物，后面依次是C₄H₂，C₆H₂，C₈H₂，直到炭黑和氢。

烃燃烧分解取决于温度、压力、含氧量，原始燃料的性质、时间因素，聚合和氧化这两种作用都按照一般含自由基的链反应进行，在这种链反应中某些阶段含有几个可能的产物，其中，一种以上的产物可能会迅速导致析碳，其余产物可能使氧化链继续下去，而某些产物可能对减少活性中间体是无效的。活性中间体在遭氧化或断裂成碳以前可持续一段时间。研究证明，乙炔本身很浓的火焰中，还在热解中，有联乙炔与其他多炔及C₈H₂存在，对于其他烃来说，在其断裂期间当然会生成一些乙炔，然后通过多炔路线或靠现存碳核上的表面分解，使该乙炔析碳。虽然有一部分炭黑是这样生成的，大多数烃析碳都比乙炔本身更容易，对乙炔基自由基与低分子量乙炔反应的动力学所作的研究也得出这样的结论，即：即使可能已形成了多炔，但是其他显然更容易的反应必定导致火焰中迅速析碳。特纳斯观测到燃烧的甲烷、苯和环己烷时碳粒的生长速度相差很大，且燃烧苯时碳粒生长所需要的温度高得多。对从火焰中离析出来的碳粒来说。吸热化合物如乙炔的分解会使该碳粒得温度升高，而放热化合物分子和甲烷在其分解时会使该碳粒冷却。

烃燃烧速度与化学键的数目有关，键能是一种与反应的放热性从而与火焰温度有联系的潜在结合。

由于乙炔的特殊结构及燃烧反应速度，使得乙炔具有其他燃料不可比拟的高温特性，能够进行金属火焰焊割，其炔-氧焰可达到3200℃。

通过研究发现，双顶正十六面体硼笼结构的B₁₀H₁₀^2-离子具有独特的热分解性质，与硼笼相连接的不稳定的顶端氢原子易受氧化而使硼笼发生非常快的分解反应，同时放出大量的热能，从而促使整个燃料加速燃烧，达到很高的燃速。碳硼烷衍生物增加燃速及温度是由于碳硼烷的分解和硼笼破裂放出大量热能及硼易氧化等因素促成的。

碳硼烷是硼氢化合物与炔类反应生成的一种二十四面体的闭型笼状结构的化合物，具有硼的燃烧特性及炔类燃料的燃烧双重特性，由于硼的燃烧速热很高，因此硼烷在燃烧时可以得到很高的温度，B₂O₂的生成热为1264KJ，乙硼烷是吸热化合物，生成热31.4KJ.戊硼烷与氧气作用，氧气浓度从21％增加到26％时，火焰燃烧速度提高一倍，其他燃料对氧气浓度的变化没有这样灵敏，燃烧速度在上述条件下只提高20％。

研究还发现纳米氧化稀土材料对烷烃燃气的催化能力相当强，优于其他催化剂材料，且价格低廉，应用广泛。

通过下表1中几种物质的燃烧速度对比可以看出，乙炔的燃烧速度快于其他燃料。表1