Name: flame experiments at the advanced light source: new insights into soot formation processes
Uploaded: 2014-05-26T13:00:00
Duration: 10 min 4 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes at JoVE.com

Sandia er en multi-program laboratorium drives af Sandia Corporation, en Lockheed Martin Company, for National Nuclear Security Administration under kontrakt DE-AC04-94-AL85000. Arbejdet blev også støttet af det amerikanske Department of Energy, Office of Basic Energi Videnskaber under Single Investigator Small Group Forskningsprojekt (Grant nr. DE-SC0002619) af Prof. Violi (University of Michigan, Ann Arbor). KRW er støttet af Department of Energy, Office of Science, Early Career Research Program under US Department of Energy Kontrakt nr. DE-AC02-05CH11231. Advanced Light Source understøttes af direktøren, Kontoret for Videnskab, Office of Basic Energi Videnskaber, af det amerikanske Department of Energy i henhold til kontrakt nr. DE-AC02-05CH11231. KKH erkender fortsatte støtte af en del af denne forskning fra DFG kontrakt KO 1363/18-3.

1.. Gasfaseeksperimenter <ol><li> Antænde Lavtryks-Forblandede Flame <ol><li> Sørg for at kølevandet strømmer gennem brænderen og flammen kammervæggen og at flammen kammeret pumpet ned til ~ 0,1 mbar. </li><li> Etablere en 1 L / min strøm af argon og en 1,5 L / min tilførslen af ​​ilt gennem brænderen overflade og opretholde et tryk på 80 mbar (60 Torr) i flammen kammer. </li><li> Placer hot-wire tændsats over brænderen overflade; indstille hydrogen flow til 0,4 l / min og hurtigt aktivere tænderen. </li><li> Efter tænding slukke for hot-wire tændsats, og flytte den væk fra brænderen. </li><li> Etablere de ønskede strømme af argon, oxygen, hydrogen og brændstof. Justere trykket, så den matcher af target flamme [typisk 20-40 mbar (15-30 torr)]. Bemærk: Flame betingelser for de enkelte flammer leveres i den oprindelige litteratur. For eksempel strømmer til støkiometrisk allen og propynanaloger flammer eropført i Hansen et al 22. </li></ol></li><li> Erhvervelse af Photoionization Effektivitet (PIE) Curves - Energi Scan <ol><li> Når trykket i ioniseringskammeret er ≤ 10 -6 mbar, gælder spændinger på de ion optik time-of-flight massespektrometer og mikrokanalplade detektor og åbne beamline ventiler. Bemærk: Tidligere kalibreringsforsøg (ikke vist i videoen) blev brugt til at finde spænding indstillinger for optimal ydeevne massespektrometer. </li><li> Start Labview datafangst program &quot;General Interface.vi&quot; (figur 2) og flytte brænderen til den ønskede position ved hjælp af &quot;Motor&quot; fanen i softwaren. Bemærk: Denne Labview koden blev udviklet på beamline og er til rådighed efter anmodning. </li><li> Brug fanen &quot;Generelt&quot; for at definere scanningsparametrene, dvs antallet af trin pr eV af foton energi. Typisk et skridt størrelse på 0,05 eV eranvendes. </li><li> Brug fanen &quot;ALS&quot; for at indstille foton energi til den ønskede startværdi, og definere &quot;ALS energi&quot; til at være &quot;aktiv&quot;. </li><li> På &quot;Control&quot; panel aktivere &quot;K6485&quot; at læse photocurrent målt ved fotodiode. </li><li> På fanebladet &quot;P7886&quot; bruge &quot;indstille parametre&quot; knappen for at indstille antallet af sweeps (normalt mellem 2 19 og 2 21), antallet af beholdere (normalt 48k), og bin bredde (500 psec). </li><li> Indtast en gyldig sti og navn, og klik på &quot;Start&quot; for at starte den computerstyrede datafangst proces. </li></ol></li><li> Erhvervelse af Mass Spectra - Brænder Scan <ol><li> Påfør spændingerne som for energi scanninger til ion optik time-of-flight massespektrometer og mikrokanalplade detektor. </li><li> Åbn beamline ventiler til at tillade foton stråle i kammeret. </li><li> Åbn Labview data akkvuisition program &quot;General Interface.vi&quot;. </li><li> Brug af &quot;Motor&quot; fanen i softwaren, skal du bruge &quot;Jogger&quot; for at flytte brænderen overflade så tæt som muligt på prøvetagning kegle, og definere, at positionen som &quot;Oprindelse&quot;. Definer motoren at være &quot;aktiv&quot;. </li><li> Bruges til fanebladet &quot;Generelt&quot; for at definere scanningsparametrene, dvs antallet af trin pr mm brænder bevægelse. Typiske værdier er 0-5 mm i 20 trin, 5-20 mm i 15 trin, og 20-30 mm i 5 trin. </li><li> Brug fanen &quot;ALS&quot; for at indstille foton energi til den ønskede værdi. Typiske værdier er fra 8 til 16,65 eV. </li><li> På &quot;Control&quot; panel aktivere &quot;K6485&quot; at læse photocurrent målt ved fotodiode. </li><li> På fanebladet &quot;P7886&quot; bruge &quot;indstille parametre&quot; knappen for at starte en sub-VI (Figur 3) for at indstille antallet af sweeps, dvs antallet af massespektrer Added oven på hinanden på hver brænder position (normalt mellem 2 19 og 2 21), antallet af beholdere (normalt 48k), og bin bredde (500 psec). </li><li> Angiv en gyldig sti og navn, og klik på &quot;Start&quot; for at starte automatisk dataindsamlings-processen. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" width="500" /> Figur 2.. Grafisk brugergrænseflade datafangst program. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="Figur 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" width="500" /> Figur 3.. Grafisk bruger interface for at indtaste multikanal scaler parametre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> 2. Aerosol Eksperimenter <ol><li> Tænding af Near-atmosfærisk tryk Modsat flow Flame <ol><li> Sørg for, at kølevandet strømmer gennem brænderen, at reaktant forretninger er ca. 10 mm fra hinanden, og at flammen kammeret pumpet ned til den mindste opnåelige tryk (~ 2 mbar). </li><li> Fyld flammen kammer med argon og bringe trykket op til ~ 860 mbar (650 Torr). </li><li> Placer tænderen spole ca. i midten af ​​de to brændere forretninger. </li><li> Indstil gasgennemstrømningerne som følger (Ar burde allerede være flydende, fordi det blev brugt til at fylde kammeret): Iltningsmiddel stream: O 2 0,3 L / min og Ar 1,6 L / min; Oxidizer stream coflow: Ar 2,5 L / min; Brændstof stream: H 2 0.3 L / min, Ar 2,5 l / min; Brændstof stream coflow: Ar2,5 L / min. </li><li> Åbn brint og ilt ventiler, og straks tænde tændsats spole. </li><li> Når flammen tændes, skal du slukke tænderen spole, og trække det. </li><li> Etablere de ønskede strømme af ilt, argon og brændstof. Sluk for strømmen af ​​hydrogen og sæt tryk og reaktant stikkontakt adskillelse til ønskede værdier for flamme mål. Bemærk: Flowhastighederne for flammen propan, som er vist i videoen, der er forudsat i Skeen et al 4. </li></ol></li><li> Erhvervelse af en Aerosol Mass Spectrum <ol><li> Anvend passende spændinger til ion optik og detektor af AMS. Bemærk: De spænding indstillinger for en optimal præstation blev fundet i tidligere kalibrering eksperimenter, som ikke er vist i videoen. </li><li> Åbn Labview datafangst program &quot;General interface-Modsat-Flow.vi&quot;. Bemærk: Denne VI er en ændring af &quot;General Interface.vi&quot;, hvor motorstyringen er blevet opdateret tilmatche de nye behov. </li><li> Brug &quot;jogger&quot; applikationen på &quot;Motor&quot; fanen for at oversætte den modstående flow brænder så kvarts mikrosonde er ved positionen nærmest brændstofstrømmen udløb (figur 4). Mens han var på denne position nulstilles motorens trin position til nul. Denne procedure definerer positionen &quot;oprindelse&quot;. </li><li> Langsomt åbner kvart omgang kugleventil tillader flow fra flammen-sampling linje i den aerodynamiske linsesystem (ADL). Bekræft, at trykket ved udgangen fra ADL er nær 1 x 10 2 mbar. </li><li> Brug fanen &quot;Generelt&quot; for at definere scanningsparametrene, dvs antallet af trin pr mm brænder bevægelse (brænder scanning) eller foton energi (energi scanning). </li><li> Brug fanen &quot;ALS&quot; til at indstille den ønskede foton energi, og bruge &quot;Motor&quot; fanen for at flytte brænderen til den ønskede brænder position. </li><li> Brug &quot;P7886&quot; fanen og &quot;Set Parameters &quot;knappen deri at indstille erhvervelse parametre. </li><li> Definer &quot;Motor&quot; (brænder scanning) eller &quot;ALS Energi&quot; (energi scanning) til at være &quot;aktiv&quot;. </li><li> Indsæt et gyldigt fil sti og navn på de relevante felter, og klik på &quot;Start&quot;. Aerosol massespektre nu automatisk træffes. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" width="500" /> Figur 4.. Grafisk brugergrænseflade til brænder bevægelse flammen imod flow forsamling. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a>

<ol>
	<li>Hansen, N., Cool, T. A., Westmoreland, P. R., Kohse-H&#246;inghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+contributions+of+flame-sampling+molecular-beam+mass+spectrometry+to+a+fundamental+understanding+of+combustion+chemistry.">Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of combustion chemistry.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 35, 168-191 (2009).</li><li>Taatjes, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging"+combustion+chemistry+via+multiplexed+synchrotron-photoionization+mass+spectrometry.">Imaging" combustion chemistry via multiplexed synchrotron-photoionization mass spectrometry.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 10, (1039).</li><li>Leone, S. R., Ahmed, M., Wilson, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical+dynamics,+molecular+energetics,+and+kinetics+at+the+synchrotron.">Chemical dynamics, molecular energetics, and kinetics at the synchrotron.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 6564-6578 (2010).</li><li>Skeen, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-threshold+photoionization+mass+spectra+of+combustion-generated+high-molecular-weight+soot+precursors.">Near-threshold photoionization mass spectra of combustion-generated high-molecular-weight soot precursors.</a> Journal of Aerosol Science. 58, 86-102 (2013).</li><li>Cool, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoionization+mass+spectrometer+for+studies+of+flame+chemistry+with+a+synchrotron+light+source.">Photoionization mass spectrometer for studies of flame chemistry with a synchrotron light source.</a> Review of Scientific Instruments. 76, (2005).</li><li>Cool, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+detection+of+isomers+with+photoionization+mass+spectrometry+for+studies+of+hydrocarbon+flame+chemistry.">Selective detection of isomers with photoionization mass spectrometry for studies of hydrocarbon flame chemistry.</a> Journal of Chemical Physics. 119, 8356-8365 (2003).</li><li>Hansen, N., Miller, J. A., Klippenstein, S. J., Westmoreland, P. R., Kohse-H&#246;inghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+formation+pathways+of+aromatic+compounds+in+laboratory-based+model+flames+of+aliphatic+fuels.">Exploring formation pathways of aromatic compounds in laboratory-based model flames of aliphatic fuels.</a> Combustion Explosion and Shock Waves. 48, 508-515 (2012).</li><li>Wang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+nascent+soot+and+other+condensed-phase+materials+in+flames.">Formation of nascent soot and other condensed-phase materials in flames.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 33, 41-67 (2011).</li><li>Bockhorn, H., D'Anna, A., Sarofim, A. F., Wang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Combustion generated fine carbonaceous particles. , (2009).</li><li>Lewtas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Air+pollution+combustion+emissions:+Characterization+of+causative+agents+and+mechanisms+associated+with+cancer,+reproductive,+and+cardiovascular+effects.">Air pollution combustion emissions: Characterization of causative agents and mechanisms associated with cancer, reproductive, and cardiovascular effects.</a> Mutation Research-Reviews in Mutation Research. 636, 95-133 (2007).</li><li>Cohen, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Outdoor+air+pollution+and+lung+cancer.">Outdoor air pollution and lung cancer.</a> Environmental Health Perspectives. 108, 743-750 (2000).</li><li>Gaffney, J. S., Marley, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+impacts+of+combustion+emissions+on+air+quality+and+climate+-+From+coal+to+biofuels+and+beyond.">The impacts of combustion emissions on air quality and climate - From coal to biofuels and beyond.</a> Atmos. Environ. 43, 23-36 (2009).</li><li>Lighty, J. S., Veranth, J. M., Sarofim, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combustion+aerosols:+Factors+governing+their+size+and+composition+and+implications+to+human+health.">Combustion aerosols: Factors governing their size and composition and implications to human health.</a> Journal of the Ai., &amp; Waste Management Association. 50, 1565-1618 (2000).</li><li>Gardiner, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Gas-Phase Combustion Chemistry. , (2000).</li><li>Warnatz, J., Maas, U., Dibble, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. , (2006).</li><li>McEnally, C. S., Pfefferle, L. D., Atakan, B., Kohse-H&#246;inghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+of+aromatic+hydrocarbon+formation+mechanisms+in+flames:+Progress+towards+closing+the+fuel+gap.">Studies of aromatic hydrocarbon formation mechanisms in flames: Progress towards closing the fuel gap.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 32, 247-294 (2006).</li><li>Kohse-H&#246;inghaus, K., Barlow, R. S., Alden, M., Wolfrum, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combustion+at+the+focus:+laser+diagnostics+and+control.">Combustion at the focus: laser diagnostics and control.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 30, 89-123 (2005).</li><li>Qi, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combustion+chemistry+probed+by+synchrotron+VUV+photoionization+mass+spectrometry.">Combustion chemistry probed by synchrotron VUV photoionization mass spectrometry.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 34, 33-63 (2013).</li><li>Golan, A., Ahmed, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+beam+mass+spectrometry+with+tunable+vacuum+ultraviolet+(VUV)+synchrotron+radiation.">Molecular beam mass spectrometry with tunable vacuum ultraviolet (VUV) synchrotron radiation.</a> Journal of Visualized Experiments. 50164 (68), (2012).</li><li>Kohse-H&#246;inghaus, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofuel+combustion+chemistry:+From+ethanol+to+biodiesel.">Biofuel combustion chemistry: From ethanol to biodiesel.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 49, 3572-3597 (2010).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fuel-structure+dependence+of+benzene+formation+processes+in+premixed+flames+fueled+by+C6H12+isomers.">Fuel-structure dependence of benzene formation processes in premixed flames fueled by C6H12 isomers.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 33, 585-592 (2011).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isomer-specific+combustion+chemistry+in+allene+and+propyne+flames.">Isomer-specific combustion chemistry in allene and propyne flames.</a> Combustion and Flame. 156, 2153-2164 (2009).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Initial+steps+of+aromatic+ring+formation+in+a+laminar+premixed+fuel-rich+cyclopentene+flame.">Initial steps of aromatic ring formation in a laminar premixed fuel-rich cyclopentene flame.</a> Journal of Physical Chemistry A. 111, 4081-4092 (2007).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+C5Hx+isomers+in+fuel-rich+flames+by+photoionization+mass+spectrometry+and+electronic+structure+calculations.">Identification of C5Hx isomers in fuel-rich flames by photoionization mass spectrometry and electronic structure calculations.</a> Journal of Physical Chemistry A. 110, 4376-4388 (2006).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+and+chemistry+of+C4H3+and+C4H5+isomers+in+fuel-rich+flames.">Identification and chemistry of C4H3 and C4H5 isomers in fuel-rich flames.</a> Journal of Physical Chemistry A. 110, 3670-3678 (2006).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+combined+ab+initio+and+photoionization+mass+spectrometric+study+of+polyynes+in+fuel-rich+flames.">A combined ab initio and photoionization mass spectrometric study of polyynes in fuel-rich flames.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 10, 366-374 (2008).</li><li>Taatjes, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enols+are+common+intermediates+in+hydrocarbon+oxidation.">Enols are common intermediates in hydrocarbon oxidation.</a> Science. 308, 1887-1889 (2005).</li><li>Tolocka, M. P., Zhao, B., Wang, H., Johnston, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical+species+associated+with+the+early+stage+of+soot+growth+in+a+laminar+premixed+ethylene-oxygen-argon+flame.">Chemical species associated with the early stage of soot growth in a laminar premixed ethylene-oxygen-argon flame.</a> Combustion and Flame. 142, 364-373 (2005).</li></ol>

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Den beskrevne kombination af flammer-prøveudtagning og synkrotron-baserede VUV enkelt-foton ionisering med massespektrometri giver den mest detaljerede kig ind den kemiske sammensætning af laboratorie-baserede model flammer muligt i dag. Massespektrometer leverer universel påvisning af alle flammehæmmende arter stikprøven samtidig med høj følsomhed (ppm interval) over et bredt dynamikområde. Instrumental for succes i denne teknik er brugen af ​​synkrotron-genereret VUV fotoner, hvis energi kan nemt indstilles til at give god selektivitet mellem isomerer og styring af fragmentering. Sidstnævnte faktor er vigtigt, når man analyserer komplekse blandinger. Funktionerne i den beskrevne eksperiment er uovertruffen ved gaskromatografi, som er almindeligt anvendt til isomer-adskillelse, og ved konventionelle ionisering teknikker anvender energirige elektroner. Begrænsninger af synkrotron-baserede teknik skyldes, at især for større masse-til-ladningsforhold, maNY forskellige isomerer er tænkelige, som derefter ikke kan identificeres entydigt, og deres bidrag kan ikke adskilles pålideligt 1. De eksperimentelle resultater i form af isomer-løst flamme kompositioner, kan give forbedrede kinetiske modeller for forbrænding kemi på et usædvanligt detaljeret molekylære niveau. De beskrevne eksperimenter er meget kompliceret, og en beskrivelse af de procedurer fejlfinding er ud over, hvad der kan dokumenteres i video-og / eller protokollen afsnit af dette manuskript. Dette faktum gælder også for procedurerne dataanalyse. Ændringer af det eksperimentelle opstilling er normalt udføres off-line i mellem allokerede &quot;beamtime&quot;. Da vægten af ​​disse eksperimenter er på kvantitativ bestemmelse af forbrændings-mellemprodukter, er det meget vigtigt at have stabile og reproducerbare flammer. Desuden er det nødvendigt at klogt at vælge fotonenergier og de øvrige indlæsningsparametre at opnå enn fyldestgørende sæt af eksperimentelle data, som er tilstrækkelig for en pålidelig bestemmelse af flammen struktur. De flamme eksperimenter udført på Advanced Light Source har med succes bidraget til at opklare kemi benzen dannelse i kulbrinte flammer 7. Der er etableret en fremtrædende rolle i resonans-stabiliserede radikaler som forstadier, for eksempel med identifikation af propargyl, allyl, og i-C 4 H 5 radikaler. Fordi benzen dannelse menes kun at være det første skridt i den samlede sod-dannelse proces, ekstra indsats er i gang på Advanced Light Kilde for at identificere den kemiske sammensætning af flamme-samplede sodpartikler. I forhold til tidligere lignende sod-sampling eksperimenter 28, dette nyoprettede aerosol-sampling eksperiment giver mulighed for optagelse af nær-tærskel massespektre, hvilket betyder, at foton energi kan indstilles nøjagtigt to kun være lidt over komponenternes ioniseringenergier, således at man undgår fragmentering. Endvidere er brud også i vid udstrækning undgås ved anvendelse af fremgangsmåden ifølge flash-fordampning af den temperatur-kontrollerede kobber blok. Imidlertid er eksperimentet i øjeblikket begrænset af ikke at kunne levere kvantitative data. Også de indspillede Massespektrene ikke partikel specifikke, men som gennemsnit over mange partikler sandsynligvis varierer i sammensætning og størrelse. Desuden kan der dannes kondens og forekommer i aftastningssonden, komplicerer identifikation af arter, der er forbundet med partikler i flammen. Desuden skal detekteres, være flygtige nok til at blive fordampet ved en temperatur på kobber blok (300-400 ° C) under vakuum. Tidlig kvalitative data antyder imidlertid, at sammensætningerne ifølge sod precursor arter er afhængige af den kemiske struktur af brændstoffet, og at sod-precursor-dannelse mekanismer kinetisk drives i modsætning til thermodynamically. Aerosol-massespektrometri indsats er i øjeblikket i de tidlige faser, og den indsigt opnået hidtil identificere flere forskningsmuligheder. Fremtidige arbejde med sod-dannelsesprocesser er sandsynligt at fokusere på kemi ud over den første aromatiske ring, dvs dannelsen af inden, naphthalen, anthracen, osv., og deres isomere. Det ultimative mål er at forstå kemi (og fysik) af partikel starten, og til at udvikle en intelligent model, der kan beskrive hele sod-dannelse proces (fra brændstof oxidation til partikel koagulation).

Etablering af en sammenhængende og intelligent mekanisme for molekylær vækst og sod dannelsesprocesser er en af de største udfordringer i forbrændingskemi forskning 8,9. Forbrændingsprocesser tegner sig for over halvdelen af den bøde luftforurening partikel (PM 2.5 - fine partikler, der er defineret af en aerodynamisk diameter på ≤ 2,5 um), og, for at reducere udledningen af disse uønskede forbrænding biprodukter, er det vigtigt at kende deres identitet, koncentrationer , og dannelse pathways 10. Arten af ​​forbrænding biprodukter påvirkes af brændstof og de betingelser, hvorunder den er brændt. Mange undersøgelser har knyttet forbrændingsemissionen akutte miljø-og sundhedseffekter 11-13. For eksempel forbrændings-genererede partikler har en stærk indflydelse på luftkvaliteten, atmosfærisk synlighed og strålings balance i Jordens atmosfære. Det antages, at den kemiske sammensætning af den luftbårne kamustion-genererede partikler bestemmer deres toksicitet, der er ofte forbundet med polycykliske aromatiske hydrocarboner (PAH). Den sidstnævnte art anses for at være de molekylære forstadier sod, og de er dannet i ufuldstændige forbrændingsprocesser. Igen, for at identificere disse processer er stadig et udfordrende problem. Generelt forbrændings reaktioner, som ligger til grund for disse emissioner, følger komplicerede brændstof nedbrydning og oxidation veje, der involverer mange forskellige reaktive arter. De er forbundet i et netværk af flere hundrede eller endda tusindvis af reaktioner, hvis satser afhænger af temperatur og tryk 14,15. Laminar, færdigblandet, brænder stabiliseret flade flammer, der kan etableres ved tryk så lavt som 20-80 mbar (15-60 Torr), udgør et af de standard forbrændings-miljøer, der almindeligvis anvendes til at udrede denne komplekse kemiske netværk og til at undersøge det forurenende stof muligheden for eny givet prototypiske brændstof 16. I denne konfiguration er det brændstof og iltningsmiddel allerede blandet, når de når flammen foran; Således er antallet af forbrændingen domineret af kemiske processer og ikke ved at blande. Ved betjening af disse flammer på et sub-atmosfærisk tryk, er den fysiske tykkelse af reaktionen regionen steg, hvilket muliggør forbedret rumlig opløsning af temperatur og koncentrationsgradienter med laser-baseret eller probe-stikprøver 1,17. For præcist at analysere den kemiske sammensætning af disse flammer, et analytisk værktøj kræves der giver universel påvisning af alle arter samtidigt, høj følsomhed og dynamikområde, god selektivitet mellem isomerer og kontrol af molekylær fragmentering. Et gennembrud i forbrændingen-kemi forskning blev opnået med anvendelse af flamme-sampling massespektrometri ved synkrotron lyskilder hvor afstemmelige vakuum ultraviolet (VUV) stråling bruges til nær-threerstatningen enkelt-foton ionisering 5,6. I flammen eksperimenter på Advanced Light Source (ALS) af Lawrence Berkeley National Laboratory, som er vist i den ledsagende video, der gasprøver tilbage fra inden for de færdigblandede flammerne med et kvarts kegle, ekspanderet i højere vakuum, og ioniseret ved VUV fotoner 1,5. Den eksperimentelle set-up er vist skematisk i figur 1.. Nøglen til succes for dette eksperiment har været evnen til at tune energien af ioniserende fotoner i et passende antal for at minimere eller endda undgå photofragmentation og tillade isomer specificitet 1,3 , 5,18. Som vist i videoen, kan photoionization effektivitet (PIE) kurver registreres af tuning fotonenergien 19, der giver os mulighed for at identificere specifikke isomere arter i den komplicerede flamme blanding. PIE kurver for de enkelte arter har generelt forskellige funktioner, dvs ionisering tærskler, former og intensiteter. Videoen aLSO viser den eksperimentelle metode anvendt til at bestemme mol fraktion profiler af de individuelle komponenter som en funktion af afstanden til brænderen overflade. Disse ALS-baserede forbrændings eksperimenter har været fokuseret på sod-dannelse processer i kulbrinte flammer og oxidation af iltet, næste generation, bio-afledte brændsler 1,20. Med hensyn til sod-dannelse problem, eksperimenterne afsløret mange nye indsigter. Sammenfattende er det nu forstået, at den kemiske struktur af brændstoffet påvirker identitet (og mængden) af de precursormolekyler og at det derfor mange forskellige veje kan bidrage til det første trin i den samlede sod-dannelse proces 7,21. Endnu dybere indsigt i sod-dannelse kemi blev opnået når identificere de kemiske komponenter af flamme-genereret sod nanopartikler med en ALS-baserede aerosol massespektrometer. I denne nye forsøg, som er explained i anden halvdel af videoen, er ikke færdigblandet (diffusion) flammer anvendes. Forsøgsopstillingen er også vist i figur 1.. I denne konfiguration er en flamme etableres på nær-atmosfærisk tryk [933 mbar (700 Torr)] mellem to modstående laminare stråler af brændstof og iltningsmiddel. Fordi brændstof og oxidizer streams forbliver adskilt uden reaktionszonen, denne konfiguration giver en god mulighed for at undersøge molekylære vækst processer. Flamme-genererede partikler trækkes tilbage fra flammen ved hjælp af en kvarts mikrosonde og efterfølgende fokuseret med en aerodynamisk linse system på en opvarmet kobber mål, hvor partiklerne blinker fordampe og bryde ud i deres enkelte bestanddele. Disse molekylære byggesten derefter ioniseret ved VUV fotoner fra ALS, og de ​​tilsvarende ioner masse udvalgt 4. Ikke alt det nødvendige arbejde kan vises i videoen, men aerosol-data tyder på, at sod-dannelse mekanismer kan være kineticall<html> y og ikke termodynamisk kontrolleret. Desuden data viser også, at den bredt accepteret H-abstraktion-C 2 H 2-tilsætning (HACA) mekanisme, hvor små aromatiske arter vokser til større polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH), af en repetitiv sekvens af H-abstraktion og C 2 H 2-additionsreaktioner kan ikke forklare alle de observerede partikel vælgere. Kombineret med video, følgende protokol beskriver de procedurer datafangst. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig1highres.jpg" width="500" /> Figur 1.. Skematisk diagram af flammen-prøvetagning molekylstraalen og aerosol massespektrometri eksperimenter på Advanced Light Kilde Lawrence Berkeley National Laboratory. Med tilladelser fra Refs. 2 og 4.9fig1highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klik her for at se en større version af dette tal.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:71px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;"></td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">flame-sampling mass spectrometer</td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>custom-built</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">aerosol mass spectrometer</td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>custom-built</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

flame experiments at the advanced light source: new insights into soot formation processes

De følgende eksperimentelle protokoller og den ledsagende video er bekymrede med flammen eksperimenter, der udføres på kemiske Dynamics Beamline af Advanced Light Source (ALS) af Lawrence Berkeley National Laboratory 1-4. Denne video viser, hvordan de komplekse kemiske strukturer af laboratorie-baserede model flammer analyseres ved hjælp af flamme-prøveudtagning massespektrometri med afstemmelige synkrotron-genereret vakuum ultraviolet (VUV) stråling. Denne eksperimentelle tilgang kombinerer isomer-løse kapaciteter med høj følsomhed og et stort dynamikområde 5,6. Den første del af videoen beskriver forsøg med brænder-stabiliserede, reduceret tryk (20-80 mbar) laminare færdigblandede flammer. En lille carbonhybridbrændstof blev anvendt til den valgte flamme at demonstrere den generelle eksperimentelle fremgangsmåde. Det er vist, hvorledes arter profiler er erhvervet som en funktion af afstanden fra brænderoverfladen og hvordan justerbarhed af VUVfoton energi bruges med fordel til at identificere mange forbrændings mellemprodukter baseret på deres ioniseringenergier. For eksempel har denne teknik været anvendt til at studere gasfase aspekter af sod-dannelse processer og video viser hvordan resonans-stabiliserede grupper, såsom C 3 H 3 C 3 H 5, og I-C 4 H 5, er identificeret som vigtige mellemprodukter 7. Arbejdet har været fokuseret på Soddannelse processer og fra kemisk synspunkt, denne proces er meget spændende, fordi kemiske strukturer, der indeholder millioner af kulstofatomer er samlet fra et brændstof molekyle besidder kun et par kulstofatomer i løbet af millisekunder. Den anden del af videoen fremhæver et nyt eksperiment, hvor en flamme modsat flow diffusion og synkrotron-baserede aerosol massespektrometri bruges til at undersøge den kemiske sammensætning af forbrændings-sodpartikler 4. De eksperimentelle resultater tyder that det bredt accepteret H-abstraktion-C 2 H 2-tilsætning (HACA) mekanisme er ikke den eneste molekylære vækstproces ansvarlig for dannelsen af de observerede store polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH).

En typisk masse spektrum af flamme-samplede gasser fra lavtryks-færdigblandede brænder er vist i figur 5.. Identiteten af de arter, der bidrager til signalet er afsløret af flamme-samplede photoionization effektivitet (PIE) kurver for hver masse-til- ladning (m / z)-forhold og deres forhold til kendte isomer-specifik ioniseringenergier og PIE kurver. Typiske eksempler på flamme-samplede PIE kurver er vist i figur 6 ved m / z = 39 (C 3 H 3) og 41 (C 3 H 5). Dataene er taget fra en støkiometrisk propyn flamme 22. Signalet identificeres entydigt ved deres karakteristiske ionisering tærskler stammer fra resonans stabiliserede propargyl og allyl radikaler. For mange m / z-værdier, der er flere isomerer rutinemæssigt identificeres ved at observere flere tærskler. Mange eksempler er blevet diskuteret udførligt i litteraturen, for eksempel, m / z= 40 (allen og propyn), 44 (Ethenol og acetaldehyd), 54 (1,3-butadien, 1-butyn, og 2-butyn) eller 78 (fulven, benzen) 23-27. <img alt="Figur 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig5highres.jpg" width="500" /> Figur 5. Time-of-flight massespektrum. Recorded med fotoner af 9,9 eV ved 1,25 mm afstand fra lavtryks-forblandet brænder i et støkiometrisk propyn-O 2 blus. Alle spidser kan nemt tildeles til forskellige forbrændingsprocesser mellemprodukter som beskrevet i det næste trin. <img alt="Figur 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig6highres.jpg" width="500" /> Figur 6.. Flame-samplede photoionization virkningsgradkurver for m / z = 39 og 41.. De resonans stabiliserede radikaler propargyl og enllyl kan entydigt identificeres på grundlag af de ionisering tærskler observerede. Når isomer sammensætning er kendt, massespektre udtaget på forskellige fotonenergier og blandt forskellige positioner i flammen, som beskrevet ovenfor i protokollen afsnit, for at muliggøre bestemmelse af isomer-specifik molbrøk profiler af de enkelte arter som funktion af afstanden fra brænderen overflade. Repræsentative mol fraktion profiler af fulvenen og benzen i et støkiometrisk propyn flammer fra lavtryks-forblandet brænder er vist i figur 7 22. For hver flamme, typisk en i alt 40 til 50 individuelle mol fraktion profiler bestemmes for arter, der spænder fra m / z = 1 (H-atom) til m / z = 78 (benzen og / eller fulven) eller endog højere, afhængig af de videnskabelige mål. Disse molfraktion profiler bruges derefter til at vurdere de prædiktive evner forbrænding-kemi modeller, og at validate dem. <img alt="Figur 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig7highres.jpg" width="500" /> Figur 7.. Eksperimentelle molbrøk profiler. Profiler af fulven og benzen i et støkiometrisk propyn flamme fra lavtryks-færdigblandede brænder. En typisk aerosol massespektrum er vist i fig. 8. Det blev taget fra et propanflamme imod flow diffusion. Ion-signal blev observeret for arter med m / z-forhold spænder fra 150 til 600, med et toppunkt omkring m / z = 226.. Det er ud over de nuværende eksperimentelle muligheder for at identificere samtlige arter observeret i massespektret eller at optrævle deres mulige dannelse veje. Tage sådanne massespektre som en funktion af afstanden fra stikkontakten i brændstoffet som beskrevet ovenfor (og vist i videoen) giver stedligt profiler. En repræsenrepræsentative eksempel er vist i indløbet af figur 8 for m / z = 256 (C 20 H 16) arter. Lignende profiler kan fås for nogen af ​​de andre arter, som derfor kunne bruges som validering mål for enhver forbrænding-kemi model. <img alt="Figur 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig8highres.jpg" width="500" /> Figur 8.. Flame-samplede aerosol masse spektret fra en propan-O flamme 2 modsat flow diffusion. Indløbet viser et repræsentativt stedligt profil for C 20 H 16 arter ved m / z = 256.

Watch this Scientific Journal Video about Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes at JoVE.com

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

Gasprøver fra laboratorie-skala flammer med online analyse af alle arter af massespektrometri er en stærk metode til at undersøge den komplekse blanding af kemiske forbindelser, der opstår under forbrændingsprocesser. Kombineret med afstemmelig blød ionisering via synkrotron-genereret vakuum ultraviolet stråling, giver denne teknik isomer-løst information og potentielt fragment-fri massespektre.

Flame Eksperimenter på Advanced Light Source: ny indsigt i Soddannelse Processer

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

Polykrystallinske silicium tynd-film solceller med plasmoniske-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

Vinkel-løst photoemission spektroskopi ved ekstremt lave temperaturer

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

Integration en Triplet-triplet Annihilation Opkonvertering System til Enhance Dye-sensibiliserede Solar celle respons til Sub-båndgab Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Manglende Analyse af batterier Brug Synchrotronbestrålingscenter-baserede Hard røntgen Microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating

Måling af X-ray Beam Sammenhæng ad flere retninger Brug 2-D Checkerboard Phase rist

A procedure for a technique to measure the transverse coherence of synchrotron radiation X-ray sources using a single phase grating interferometer is ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Brug synkrotronstråling Microtomography at undersøge Multi-skala Tre-dimensionelle Mikroelektroniske pakker

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Udskrivning Fabrikation af Bulk heterojunction solceller og<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologi Karakterisering

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studere dynamiske processer af Nano-størrelse Objekter i Liquid hjælp Scanning Transmission Electron Microscopy

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

Eksperimentelle gennemførelsen af en ny Composite fabrikationsanlæg metode: udsætter nøgne fibre på sammensatte overfladen af metoden bløde lag

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...