祝贺课题组郑朝和的论文：Microkinetic analysis of reactions between CO and CuO in chemical looping combustion被能源领域知名期刊Combustion and Flame收录。赵海波教授为通讯作者，博士后郑朝和为第一作者。

氧载体颗粒在燃料反应器和空气反应器间循环往复，并发生不同的氧化还原反应，属于一个典型的气固非均相反应过程。该过程包括气体内扩散、外扩散及相应的表面反应阶段，具体包括：1) 气体由自由空间向颗粒外表面扩散；2) 气体通过颗粒孔隙向颗粒内部进行内扩散；3) 气体在气固界面上吸附；4) 表面吸附态分子和氧载体晶格氧发生反应；5) 生成物脱附形成气态产物；6) 气态产物向颗粒外表面扩散；7) 生成物从颗粒表面扩散到自由空间中。上述的这些气固反应步骤通常都是同时进行的，且相互影响与制约。

化学链燃烧过程中的气固非催化反应研究涉及原子/分子层面的反应机理、晶粒层面的转化分析、颗粒的扩散耦合等多个维度，必须同时考虑在纳米、微米、毫米级等多个不同尺度上的关联。利用第一性原理提供机理现象和动力学参数，再通过气体传质的修正，实现“原子/分子→晶粒→颗粒→坩埚”多尺度上的耦合，为实现化学链燃烧中氧载体结构设计及其反应与扩散的耦合提供了新思路。

图1 多尺度反应动力学速率模型

本工作旨在解决实验中所获得的表观模型外推适应性差的问题，因此动力学参数并非由实验拟合，而是第一性原理计算。分别对气体分子的吸附过程、表面反应过程、脱附过程、体相离子扩散过程进行机理分析，发现CO的最优吸附位点是三重配位的铜顶位，整体反应是CO(g)+CuO(b)+CuO(s)DCO₂(g)+ CuO(s)的可逆反应方程式，多尺度反应动力学速率模型可以很好地描述铜基氧载体与CO的气固反应过程。

图2 基于第一性原理的气固反应速率预测

通过采用颗粒尺度的反应速率模型，发现CO气体在颗粒内部浓度分布均匀，属于表面反应控制机制。减小颗粒尺寸或增加孔隙率均可以显著加快氧载体颗粒的转化速率，然而在某一特定的设计工况下，氧载体颗粒内部总会存在具有最快反应速率的最佳晶粒尺寸。基于常见的化学链燃烧工况，我们发现当晶粒尺寸为30~50 nm时，铜基氧载体颗粒具备最优的综合反应性能，为颗粒结构设计提供了理论支持。

图3 氧载体晶粒尺寸和反应速率的对应关系

本工作受到了国家自然科学基金项目(52025063，52406136)、中国博士后科学基金(GZB20230236，2023TQ0123，2024M761008)和湖北省重点研发计划(2022CFD035)的资助。

文章完整信息：

Chaohe Zheng, Mingze Su, Haibo Zhao*. Microkinetic analysis of reactions between CO and CuO in chemical looping combustion. Combustion and Flame, 2025, 273, 113967.

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2025.113967