当今时代，科技发展日新月异，带动了工业技术的进步，也促进经济快速发展，但同时，也给人类的生存环境造成了严重的影响，比如大气污染、水污染、土壤污染以及生态系统破坏等等。在绿色发展和环境保护大背景下，催化燃烧，作为一种高效且环保的能源利用方式，它利用催化剂的作用，在较低的温度下实现有机物的完全燃烧，既提高了能源利用效率，又降低了污染物排放。近年来在能源领域引起了广泛关注，正逐步成为减少污染和提高能源效率的重要解决方案。
清华大学特别研究员隋然，多年来，深入研究催化燃烧的理论及其工程应用，他始终面向国家战略需求，致力于零碳燃料的制备、利用和后续的污染处理，同时，面向新型空天动力的高空点火、助燃稳燃等开展研究，取得了一系创新性的科研成果，不仅节省了能源，避免产生有害物质，降低了成本，提高了经济效益，为我国的“双碳”战略目标的实现贡献了科研力量。
催化燃烧 技术创新
2010年，隋然于上海交通大学毕业，并取得工学（机械与动力工程）和管理学双学位后，此后，他远赴海外前往欧洲，先是进入德国慕尼黑工业大学，攻读计算机专业硕士学位。毕业后，又进入瑞士苏黎世联邦理工大学攻读博士学位，从此开始了对催化燃烧的研究。
2017年，隋然博士毕业，他又横跨大西洋，前往美国普林斯顿大学开展博士后研究。2020年晋升副研究员，同年，隋然在美国密苏里科技大学就开始了独立的教学和科研工作，担任机械与航天工程系助理教授和博士生导师，领导该校的基础燃烧学研究。
身在国外，心系中国。一直以来，隋然都始终关注着祖国的科技发展，希望用自己的技术为国家贡献力量。2022年，他终于实现了多年夙愿，回到了祖国的怀抱，正式加入清华大学能源与动力工程系和燃烧能源中心，并创建了“异相反应流与能源转化课题组”，从此，开启了他的催化燃烧研究新征程。
据隋然介绍，催化燃烧往往不以单独的表面反应形式存在，而是与气态燃烧发生错综复杂的耦合。催化-气态燃烧耦合包含受催化反应抑制或促进的气态燃烧的点燃和熄灭、表面-气态反应路径的自由基交换和热传递等。这些关系又受到压强、温度、流速、当量比、燃料和催化剂的物理和化学性质等诸多因素影响。针对催化-气态燃烧的耦合，隋然进行了系统性研究，他表示，碳氢燃料在催化剂表面上的不完全氧化和催化重整，生成合成气和氢气是大型动力设备集中碳捕捉的重要手段，亦可为燃料电池、微型反应器等中小型设备现场制备燃料，以克服氢气难以储存和运输的障碍。隋然使用激光诊断和数值模拟，通过比较铑和铂两种常用贵金属催化剂的CPO特性，他首次提出气态燃烧对不完全氧化制氢的重要促进作用，颠覆了传统的催化-气态反应路径互相抑制的认识，使小型化CPO装置为燃料电池和微型燃烧器现场制氢成为可能。
另外，氢气的高压富燃催化燃烧广泛存在于新兴的清洁能源概念中，但由于传统标定氢气火焰的氢氧基激光诱导荧光在贫氧和高压条件下失效，氢气火焰难以得到有效的观测和研究。为了克服此难题，隋然首次应用氧分子的激光诱导荧光，标定了氢气在催化表面上的气态火焰。通过理论推导，他首次发现了催化反应路径施加于气态燃烧的1/P因子。该因子结合气态燃烧反应路径固有的压强关系，导致氢气在高压富燃催化条件下的气态燃烧呈现出“S”型压力相关曲线，为氢气催化富燃装置的设计，尤其是为其安全性分析提供了重要依据。
除此之外，隋然还对钯上的气态燃烧进行了深入研究。以氢气和一氧化碳为主要成分的合成气和重整后的生物燃气是重要的低碳清洁燃料，其催化燃烧被广泛应用于整体煤气化联合循环发电、烟气再循环和催化重整等领域。钯被认为具有天然的“温度调节”机制，在其催化管道内可以完全抑制气态燃烧的生成。在隋然的最新研究中，首次详细阐明了其点燃机制，并为未来钯催化的合成气或氢气燃烧装置的设计和优化提供了思路。
催化燃烧的化学反应动力学主要包括其表面反应路径、速率和相关的影响因素，是研究催化和催化-气态燃烧的重要基础。然而领域内对催化燃烧反应机理的研究和反应动力学模型的开发尚处在较为初级的阶段。以氢气和一氧化碳为主要成分的合成气是重要的低碳清洁燃料。为此，隋然使用微量热技术、激光诊断催化剂表征、多尺度数字计算等多种手段研究了合成气在钯和铑上的反应动力学，并首次发现了氢气和一氧化碳在钯和铑表面氧化过程中或促进或抑制的复杂相互影响。以此为基础上，他开发了专用于合成气催化反应的机理，首次提出在两种燃料共存的情况下二者反应活化能受对方表面吸附程度影响的模型。该项研究为合成气专用催化剂的设计提供了直接的思路。
成果应用 实现价值
近年来，绿色节能低碳的理念深入人心，法律法规也日益严格。我国在环保领域的持续努力和显著成就，离不开众多科研人员的默默贡献，实践应用是实现科研价值最好的体现。
回国以来，隋然一直怀着为国家为社会创造价值的情感进行研究工作，并积极推动科研成果的生产力转化。他说：“必须把科研真正落地，用到实际应用场景中，让科研的土壤里结出实用的花。”他致力于将催化燃烧技术应用于多个行业领域，比如，相较于各类电池，微型燃烧动力装置在能量密度上拥有巨大优势，这使其在微机电系统、无人机、微型卫星推进等航空航天和国防相关领域有着广泛的应用前景。然而由于其狭小的空间和极短的反应时间，传统气态燃烧在微型燃烧装置中面临燃烧不稳定、火焰回火、燃烧不完全和能量损失等诸多挑战。归功于其较低的反应活化能、极高的反应速率和稳定性、更大的可燃极限等优势，催化燃烧技术可以完美解决此类问题。
此外，隋然还对甲烷等关键小分子碳氢燃料的催化燃烧反应动力学做了系统性的研究。他通过对比钯和铑对甲烷和丙烷的催化反应速率与压强的关系，开发了几款适用于较大压强范围的简化反应机理模型，填补了相关领域内的空白，并首次揭示了特定温度范围内催化活性与压强的非单调关系这一重要特性。值得一提的是，在此之前的文献中绝大多数催化燃烧反应机理都只适用于常压，且在高压条件下失效，因此，隋然的工作极大地填补了领域内的空白。他还首创了催化-气态反应机理的联合简化，不仅可以为数值模拟催化装置内的湍流燃烧提供精确且简易的反应动力学模型，还提出了一种基于自由基交换判断催化-气态燃烧耦合的快速方法。
最近，隋然课题组在丙烷的催化燃烧反应动力学及其压力依赖研究中取得了新进展。丙烷是液化石油气主要成分和天然气的重要成分，具有较低的价格和单位碳排放，以及易于液化输运、无毒、无腐蚀性等优势。因此，丙烷的催化燃烧将在工业应用中变得愈发重要。铂是催化丙烷燃烧的最佳催化剂之一，但此前对于丙烷在铂上完全氧化的详细反应动力学模型尚未建立，现有大部分关于丙烷催化氧化的研究都在常压或低压条件下开展，缺乏与能源动力相关的高压研究。对此，隋然课题组结合微量热法、催化剂表面分析以及CFD模拟研究了铂催化丙烷完全氧化的化学反应动力学，首次构建出了常压下丙烷在铂上氧化的详细催化机理，揭示了丙烷在铂上的催化反应活性与压力及温度之间的复杂关系，为丙烷的催化燃烧技术发展和进步提供了重要资料。
总而言之，催化燃烧作为一种绿色、高效的能源利用方式，具有广阔的发展前景，面向催化燃烧研究的国际前沿和国家实际重大需求，隋然积极开展研究，现已在氨氢等零碳燃料的高效利用、新型特种飞行器的点火和稳燃、挥发性有机污染物的防治等领域取得相应进展。他进一步将对催化燃烧反应动力学、催化-气相燃烧路径调控等领域做出深入和系统性的研究，进而对催化燃烧在“双碳”战略中的新应用提供理论支持，直接指导相关设备的开发，助力我国能源和动力产业的发展。
清朝学者金缨在《格言联璧·学问》言：“志之所趋，无远弗届，穷山距海，不能限也。”隋然对催化燃烧的科研坚持与创新，正是对这句话的最佳诠释。时代发展，瞬息万变；时不我待，只争朝夕，隋然将继续全身心投入科研、创新催化燃烧技术，在未来更多行业领域发挥重要作用，为人类的可持续发展贡献力量。（文/李杰）
