黑煙是什麼意思

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黑煙（火焰的煙黑soot）實際上是由高溫下有機物不完全燃燒或熱裂解生產出的碳顆粒組成，也可稱為碳黑（或“炭黑”，carbon black），主要是碳元素。

火焰中煙黑顆粒的形成步驟。圖片來源：Science

目前普遍認為，煙黑顆粒的生成經歷了五個步驟，包括燃料的熱裂解（pyrolysis）、煙黑前驅物多環芳烴的生長（PAH growth）、煙黑顆粒的初生成核（soot nucleation）、表面增長（soot growth）和氧化（soot oxidation）。不過迄今為止，煙黑顆粒形成的具體化學機制依然沒有統一的定論。

火焰中共振穩定自由基驅動煙黑顆粒的形成。圖片來源：Hope Michelsen / Sandia National Laboratories

美國桑迪亞國家實驗室

的

Hope Michelsen

和

Olof Johansson

等研究者做出了開創性的突破，

首次揭開了燃燒過程中氣態燃料如何向煙黑顆粒轉變的神秘面紗

。他們結合實驗和理論計算等手段證實，這一過程

最初由環戊二烯自由基（C

5

H

5

）和C2烴類物質間的加成反應引起

，並透過

共振穩定自由基機理

（Resonance-stabilized radical mechanism）

驅動的一系列自由基鏈反應（radical-chain reaction）實現從多環芳烴的生長到煙黑顆粒的初生成核、表面增長的整個過程

。

氣態烴火焰的VUV-AMS譜圖。圖片來源：Science

研究發現燃燒中所產生的中間體皆是共振穩定的碳氫自由基物種（Resonance-stabilized hydrocarbon-radical，RSR），包括環戊二烯基、R91（乙烯環戊二烯基）、茚基、乙烯茚基以及更大的多環芳烴自由基等。

從共振穩定多環芳烴自由基的形成、生長到煙黑顆粒初生、表面增長。圖片來源：Science

第一階段是共振穩定多環芳烴自由基的形成及生長過程。

第二階段是碳氫化合物的聚合過程。

第三階段是煙黑顆粒的表面增長。

“煙黑形成的關鍵是共振穩定的自由基。一般來說，自由基分子是非常活潑的，因為它們含有不成對的電子，但共振穩定的自由基卻恰恰相反，由於未配對的電子可以參與到π化學鍵中，它們比普通自由基分子更加穩定。當這些自由基與其他分子發生反應時，很容易形成新的共振穩定自由基，隨著與未成對電子共享電子密度的化學鍵增多，自由基會愈發穩定，這便是煙黑形成的主要驅動力。”

論文部分作者（從左到右）：Paul Schrader、Hope Michelsen、Olof Johansson。圖片來源：Brent Haglund / Sandia National Laboratories