中国科学院大科学装置2009年运行年会上评选出的开放研究成果之七：

合肥同步辐射装置用真空紫外单光子电离-分子质谱研究丁醇燃烧过程取得重要进展

建在合肥中国科学技术大学校园内的、我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源，是中国科学院公共实验平台类的大科学装置。其主体设备是一台能量为800 MeV的电子储存环，经升级改造后运行稳定可靠，建有14个实验站，已成为向国内外用户提供优质的服务的国家级科研平台，近年来在基础研究和应用研究方面取得了一系列重大成果。

合肥国家同步辐射实验室燃烧研究组创造性地将真空紫外单光子电离技术与分子质谱技术相结合，研究四种不同的丁醇(正/仲/异/叔丁醇)的燃烧，探测到各种燃烧的中间体和含氧类污染物，包括一系列的烯醇类物质。相关研究结果以“Identification of combustion intermediates in isomeric fuel-rich premixed butanol-oxygen flames at low pressure”为题，发表在燃烧界顶级期刊Combustion and Flame [2007, 148: 198-209]上。该论文于2008年入选科技部第二届“中国百篇最具影响优秀国际学术论文”。《Combustion and Flame》杂志的统计表明，该论文的近期引用率在燃烧领域中位居第二。这项研究是继火焰中探测烯醇中间体[Science 308, 1887 (2005)，封面文章]之后，该课题组在燃烧研究领域取得的又一重要进展，为我国利用同步辐射真空紫外技术研究燃烧过程提供了极为有效的新方法和新平台。

燃烧过程的研究对人类的未来具有重大意义。随着环境污染和能源危机的加剧，生物质（植物通过光合作用生成的有机物，地球上最广泛存在的物质）燃料越来越受到重视，高效率燃烧也愈加显得重要。与传统的化石燃料（煤、石油等）相比，生物质燃料具有自身的优势：可持续性、温室气体排放量小、有利于区域经济发展、以及供给有保障等。因此，作为可再生能源的生物质燃料被认为是有巨大潜力的新能源。醇类燃料是一类重要的生物质燃料，也是目前生物质燃料中应用较多的燃料，其燃烧机理的详细研究，可为提高燃烧品质提供重要的依据；同时醇类燃料在燃烧时会产生大量的含氧污染物如甲醛、乙醛等。 

燃烧过程研究的诊断方法主要有两大类：一类是原位光谱诊断法，另一类是取样分析法。光谱诊断方法适合于一些小分子的测量，但无法定量地测量大分子，如较大的碳氢化合物和多环芳烃等。取样分析法通常结合质谱、气相色谱或色-质联用等仪器。利用复杂的超声分子束进行原位取样，取样后分子无任何碰撞，可以有效地冷却分子和自由基，因此能准确地探测燃烧过程的各种产物，包括自由基及燃烧中间产物，这种方法称为分子束质谱法。传统的分子束质谱使用电子束轰击电离或激光光电离作为电离源，有一些无法避免的缺点。

本项研究在合肥同步辐射光源的燃烧实验站（国内首台，世界上目前仅有两台）上进行，该装置较美国劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源(ALS)的燃烧装置具有更高的质量分辨率和灵敏度。研究组利用合肥同步辐射光源在真空紫外波段的独特优势，创造性地用光电离和超声分子束质谱技术探测丁醇燃料燃烧过程中的一系列中间体。实验中探测到大量烯醇类燃烧中间体和其它含氧类中间体如醛类、酮类，并结合光电离效率谱的测量，对各种具有同分异构体结构的中间体的组成进行了分析。实验结果显示，四种具有同分异构体丁醇（正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇）的初级分解产物均为含氧类化合物，保留了燃料的结构特性。而随着燃烧过程的进行，燃料结构特性的影响不断地被削弱。该结果显示了燃料结构对火焰结构和燃烧性能的影响，有助于对生物质燃料的实际应用提供理论指导。该实验首次在原子与分子的水平上理解燃料结构对燃烧中间体和燃烧性能的影响。该项研究与德国科学家合作进行。 

近年来，燃烧研究组在含氧燃料、含氮燃料、大分子的碳氢燃料及实用燃料如汽油等的燃烧等方面进行了一系列具有开创性的工作，获得了一批原创性的成果，在燃烧领域国际期刊上发表论文十余篇。其中，在《国际燃烧会议论文集》（Proceedings of the Combustion Institut）上发表论文四篇，在燃烧界顶级期刊《燃烧与火焰》（Combustion and Flame）上发表论文六篇，在能源领域著名期刊《能源与燃料》(Energy & Fuels)上发表论文三篇，居于国内同领域高水平论文发表数的前列。这一系列论文的发表得到了国际同行的认可，多数审稿人对该研究组的工作给予了高度的评价，认为这些工作“提供了大量有价值的同分异构体的新信息”，“对从事燃烧研究的实验工作者及燃烧动力学模型研究者具有重要的参考价值”，“文章的重要性在于对具有同分异构体结构的燃烧中间体进行了鉴定，这是其它方法无法做到的”。研究组组长齐飞研究员2009年被聘为《Combustion and Flame》的编委，这是该期刊自1957年创刊以来，中国大陆出任的第二位编委。另外，齐飞研究员担任第33届燃烧国际会议分会共同主席(co-chair)，是国际燃烧学会成立以来，中国大陆出任的第二位co-chair。

合肥同步光源

合肥同步光源上开展燃烧研究的线站

左：Combustion and Flame杂志封面及内文；中：“中国百篇最具影响优秀国际学术论文”获奖证书；右：Science杂志封面