2024年7月常州大学低碳清洁能源与安全高效燃烧科研团队孙运兰教授课题组2024届硕士熊范钦在Journal of Alloys and Compounds期刊发表了题为“Mechanistic study on the modification of Al NPs by PVDF with different interfacial binding methods to suppress agglomeration and promote combustion”的研究论文。
PVDF改性Al NPs可以显著提升其反应特性并降低其燃烧团聚，但二者之间界面结合方式变化对反应过程的影响和作用机制尚未明晰。本文利用ReaxFF分子动力学模拟和DFT计算，结合点火燃烧实验研究，探索了Al NPs与PVDF之间掺混、有氧化层包覆和无氧化层包覆三种不同界面结合方式下的氧化和燃烧过程及Al NPs的团聚行为，发现界面结合方式的改变显著影响了Al NPs的氧化行为，且PVDF分子在Al表面和Al2O3表面表现出不同的分解路径。在燃烧阶段，不同的界面结合方式决定了Al NPs与PVDF之间不同的反应方式。在此基础上，提出了Al NPs与PVDF反应机制。本研究弥补了Al NPs与PVDF界面结合方式对Al NPs反应过程影响这一领域的空白，并为今后的实验与模拟研究提供了有价值的理论指导，也为改性Al颗粒在实际工况中的应用奠定了基础。
本工作利用ReaxFF-MD模拟和DFT计算，结合点火燃烧实验研究，探索了Al NPs与PVDF之间三种不同界面结合方式下的氧化和燃烧过程，以及Al NPs的团聚行为。
发现如下结果：
（1）PVDF改性后的Al NPs，其氧化方式更趋向于PVDF与外部氧化环境的协同氧化，而采用包覆构型能够有效增加PVDF与Al NPs之间反应面积，提升反应效率。
（2）PVDF分子在Al表面上的分解是一个连续的脱F过程，在Al2O3表面上则是经历了初始的脱F反应后，形成H原子解离和F原子解离竞争反应路径。
（3）对于燃烧过程，包覆构型相较于掺混构型，显著提升了Al NPs的能量释放及其分散性，且掺混系统中Al NPs与PVDF之间的反应方式以二维方向上的缓慢扩散反应为主，而包覆系统中则是三维全方位快速反应。
（4）提出了Al NPs与PVDF之间一种新型反应机制，对于靠近Al NPs表面的F自由基及游离单原子等，它们会直接参与Al NPs的反应过程，而非发生相互反应；但对于远离Al表面的自由基，它们之间的相互反应则率先占据主导地位，随后才会参与Al NPs的反应。包覆与掺混两种不同的界面结合方式决定了这两种反应发生趋势的差异。
（5）包覆构型比掺混构型能够更有效地抑制Al NPs团聚，削弱氧化层作用可以显著提升Al NPs反应前期热运动能力，增强其分散性。
该论文第一作者熊范钦是常州大学2024届动力工程及工程热物理学术硕士，已被东南大学录取为2024级博士研究生，常州大学孙运兰教授和朱宝忠教授为通讯作者，常州大学是第一通讯单位。该研究成果得到了国家自然科学基金面上项目资助！
英文摘要：
The modification of aluminum nanoparticles (Al NPs) by polyvinylidene fluoride (PVDF) can significantly enhance their reaction characteristics and reduce combustion agglomeration. However, the impact and underlying mechanisms of changes in interfacial binding methods between them on the reaction process remain unclear. In this study, the oxidation and combustion processes, as well as the agglomeration behavior of Al NPs under three different interfacial binding methods (mixing, with oxygenation layer coating, and without oxygenation layer coating) between Al NPs and PVDF were investigated by utilizing ReaxFF molecular dynamics simulations, density functional theory calculations, and ignition experiments. The results indicate that changes in the interfacial binding method significantly affect the oxidation behavior of Al NPs, and PVDF molecules exhibit different decomposition pathways on the surfaces of Al and Al2O3. During the combustion stage, different interfacial binding methods determine distinct reaction modes between Al NPs and PVDF. Based on these findings, a reaction mechanism for Al NPs and PVDF is proposed. This study addresses the gap in the field of the impact of interfacial binding methods on the reaction processes between Al NPs and PVDF, laying a theoretical foundation for future research and providing guidance for the practical application of Al-based modified fuels.
图解摘要：
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175531
（撰稿：2024届硕士熊范钦 审核：朱宝忠）