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 av Sandia Corporation, en Lockheed Martin Company, for National Nuclear Security Administration under kontrakt DE-AC04-94-AL85000. Arbeidet ble også støttet av US Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences under Enkelt Investigator Small Group Forskningsprosjekt (Grant nr DE-SC0002619) av Prof Violi (University of Michigan, Ann Arbor). KRW støttes av Department of Energy, Office of Science, Early Career Research Program under US Department of Energy kontrakt nummer DE-AC02-05CH11231. Advanced Light Source er støttet av direktøren, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, av US Department of Energy i henhold til kontrakt nummer DE-AC02-05CH11231. KKH erkjenner fortsatt støtte av en del av denne forskningen av DFG under kontrakt KO 1363/18-3.

En. Gass-fase Eksperimenter <ol><li> Tenning av Lavtrykk Ferdigblandet Flame <ol><li> Sørge for at kjølevannet som strømmer gjennom brenneren og flammekammeret vegg og at flammen kammeret pumpes ned til ~ 0,1 mbar. </li><li> Etablere en 1 L / min strøm av argon, og 1,5 l / min strøm av oksygen gjennom brennerflaten og opprettholde et trykk på 80 mbar (60 Torr) i flammekammeret. </li><li> Plasser glødetrådtenneren over brenneren overflaten; angir hydrogenstrømmen til 0,4 l / min, og raskt å aktivere tenneren. </li><li> Etter tenningen, slå av varme-ledning tenneren og flytte den vekk fra brenneren. </li><li> Etablere de ønskede strømmer av argon, oksygen, hydrogen og brennstoff. Juster trykket for å matche betingelsene for målet flamme [typisk 20-40 mbar (15-30 Torr)]. Merk: Flame forhold for individuelle flammer er gitt i den opprinnelige litteratur. For eksempel, flyter for stoichiometric allene og propyne flammer eroppført i Hansen et al 22. </li></ol></li><li> Oppkjøp av photoionization Efficiency (PIE) Curves - Energi Scan <ol><li> Når trykket i kammeret ionisering er ≤ 10 -6 mbar, gjelder spenningene til de ion-optikk i time-of-flight massespektrometer og mikrokanalplate detektor og åpne beamline ventiler. Merk: Tidligere forsøk kalibrerings (ikke vist i videoen) ble brukt for å finne innstillingene spenning for optimal ytelse av massespektrometer. </li><li> Start LabVIEW datainnsamlingsprogram &quot;General Interface.vi&quot; (figur 2) og flytte brenneren til ønsket posisjon ved hjelp av &quot;Motor&quot;-fanen i programvaren. Merk: Denne LabVIEW-kode ble utviklet ved beamline og er tilgjengelig på forespørsel. </li><li> Bruk &quot;General&quot; fanen for å definere skanneparametrene, dvs. antall skritt per eV av fotonenergi. Vanligvis er en trinnstørrelse på 0,05 eVanvendes. </li><li> Bruk &quot;ALS&quot; fanen for å sette foton energi til ønsket startverdien, og definere &quot;ALS Energy&quot; å være &quot;aktiv&quot;. </li><li> På &quot;Control&quot;-panelet, aktivere &quot;K6485&quot; for å lese ut photo målt ved fotodiode. </li><li> På &quot;P7886&quot;-kategorien, bruke &quot;Set Parameters&quot;-knappen for å angi antall feier (normalt mellom to 19 og to 21), antall binger (normalt 48k), og stolpebredde (500 psec). </li><li> Skriv inn en gyldig filbane og navn, og klikk på &quot;Start&quot; for å starte datastyrt datainnsamling prosess. </li></ol></li><li> Oppkjøp av Mass Spectra - Brenner Scan <ol><li> Påfør de spenninger som for energi skanner til ion optikk av time-of-flight massespektrometer og microchannel plate detektor. </li><li> Åpne beamline ventiler for å tillate at fotonstråle i kammeret. </li><li> Åpne LabVIEW data ACQuisition program &quot;General Interface.vi&quot;. </li><li> Bruke &quot;Motor&quot;-fanen i programvaren, bruke &quot;Jogger&quot; for å flytte brenneren overflaten så nært som mulig til prøvetaking kjegle, og definere den posisjonen som &quot;Origin&quot;. Definer motoren til å være &quot;aktive&quot;. </li><li> Bruk til &quot;General&quot; fanen for å definere skanneparametrene, dvs. antall skritt per mm av brenneren bevegelse. Typiske verdier er 0-5 mm i 20 trinn, 5-20 mm i 15 trinn, og 20-30 mm i fem trinn. </li><li> Bruk &quot;ALS&quot; fanen for å sette foton energi til ønsket verdi. Typiske verdier er 8 til 16,65 eV. </li><li> På &quot;Control&quot;-panelet, aktivere &quot;K6485&quot; for å lese ut photo målt ved fotodiode. </li><li> På &quot;P7886&quot;-kategorien, bruke &quot;Set Parameters&quot;-knappen for å starte en sub-VI (figur 3) for å angi antall sweeps, dvs. antall massespektra added oppå hverandre på hver brenner stilling (normalt mellom to 19 og to 21), antall binger (normalt 48k), og stolpebredde (500 psec). </li><li> Gi en gyldig filbane og navn, og klikk på &quot;Start&quot; for å starte automatisert datainnsamling prosess. </li></ol></li></ol><img alt="Fig. 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" width="500" /> Figur 2. Grafisk brukergrensesnitt av datainnsamlingsprogram. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" width="500" /> Figur 3. Grafisk brukergrensesnitt interface til inngangsflerkanals skalering som parametere. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 2. Aerosol Experiments <ol><li> Tenning av Nær-atmosfærisk trykk motsetning-flow Flame <ol><li> Pass på at kjølevannet strømmer gjennom brenneren, som reaktant uttak er ca. 10 mm fra hverandre, og at flammekammeret pumpes ned til den minste oppnåelige trykk (~ 2 mbar). </li><li> Fyll flammen kammer med argon og bringe trykket opp til ~ 860 mbar (650 Torr). </li><li> Sett tennpolen ca. i sentrum av de to brenner uttak. </li><li> Sett gasstrømmer som følger (Ar skal allerede være flytende fordi den ble brukt til å fylle kammeret): Oksidant stream: O 2 0,3 L / min og Ar 1,6 L / min; Oxidizer stream coflow: Ar 2,5 L / min; Drivstoff stream: H 2 0,3 L / min, Ar 2,5 L / min; Drivstoff stream coflow: Ar2,5 l / min. </li><li> Åpne hydrogen og oksygen ventiler, og umiddelbart slå på tenn-spolen. </li><li> Når flammen er tent, slår du av tennpolen, og trekke den tilbake. </li><li> Etablere de ønskede flyter av oksygen, argon, og drivstoff. Slå av strømmen av hydrogen og satt trykk og reaktant utløp separasjon til ønskede verdier for target flamme. Merk: De strømningshastigheter for propan flamme, som er vist i videoen, er gitt i Skeen et al fire. </li></ol></li><li> Erverv av en Aerosol Mass Spectrum <ol><li> Bruk de aktuelle spenninger til ion optikk og detektor av AMS. Merk: Innstillingene spenning for optimal ytelse ble funnet i tidligere forsøk kalibrering, som ikke er vist i videoen. </li><li> Åpne LabVIEW datainnsamlingsprogram &quot;General Interface-Motsetning-Flow.vi&quot;. Merk: Denne VI er en modifikasjon av &quot;General Interface.vi&quot;, der motorstyringen har blitt oppdatert tilmatche de nye behovene. </li><li> Bruk &quot;bunke&quot; applikasjon på &quot;Motor&quot;-kategorien for å oversette den motstå-strømningsbrenner slik at kvartsen mikrosonde er i posisjonen nærmest brennstoffstrøm-utløp (figur 4). Mens ved denne posisjonen ved å tilbakestille motortrinnstilling til null. Denne fremgangsmåten definerer &quot;opphav&quot; stilling. </li><li> Sakte åpner kvart omdreining kuleventil slik at flyten fra flammen-prøvetakingsledningen inn i aerodynamiske objektivet (ADL) system. Se etter at trykket ved utløpet av ADL er nær 1 x 10 2 mbar. </li><li> Bruk &quot;General&quot; fanen for å definere skanneparametrene, dvs. antall skritt per mm av brenneren bevegelse (brenner scan) eller fotonenergi (energi scan). </li><li> Bruk &quot;ALS&quot; fanen for å stille inn ønsket foton energi, og bruke &quot;Motor&quot;-kategorien for å flytte brenneren til ønsket brenner posisjon. </li><li> Bruk &quot;P7886&quot;-kategorien og &quot;Set Parameters &quot;-knappen der for å sette oppkjøps parametere. </li><li> Definer &quot;Motor&quot; (brenner scan) eller &quot;ALS Energy&quot; (energi scan) for å være &quot;aktiv&quot;. </li><li> Sett inn en gyldig filbane og navn på de aktuelle feltene, og klikk på &quot;Start&quot;. Aerosol massespektrene blir nå automatisk tatt. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" width="500" /> Figur 4 Grafisk brukergrensesnitt for brenner bevegelse for den motsatte-flow flamme forsamlingen.. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 ingenting å avsløre.

Den beskrevne kombinasjon av flamme-sampling og synkrotron-baserte VUV single-photon ionisering med massespektrometri gir den mest detaljert innblikk i den kjemiske sammensetningen av laboratorie-baserte modellen flammer for tiden er mulig. Massespektrometer gir universell påvisning av alle samplet flamme arter samtidig med høy følsomhet (ppm-området) over et bredt dynamisk område. Instrumental for å lykkes med denne teknikken er bruk av synkrotron-generert VUV fotoner, som har energier kan lett bli innstilt, for å gi god selektivitet mellom isomerer og kontroll av fragmentering. Den sistnevnte faktor er viktig ved analyse av komplekse blandinger. Egenskapene til den beskrevne eksperimentet er enestående av gasskromatografi, som vanligvis brukes for isomer-separasjon, og ved konvensjonelle ionisering teknikker ved hjelp av energetiske elektroner. Begrensninger av synkrotron basert teknikk oppstår fra det faktum at, særlig for større masse-til-charge forholdstall, maskapets forskjellige isomerer kan tenkes, som deretter ikke kan identifiseres entydig, og deres bidrag kan ikke skilles på en pålitelig måte en. De eksperimentelle resultatene, i form av isomer-løst flammesammensetninger, kan gi forbedrede kinetiske modeller av forbrenningskjemi ved en usedvanlig detaljert molekylært nivå. De beskrevne forsøkene er svært komplisert, og en beskrivelse av feilsøkingsprosedyrene er hinsides av hva som kan dokumenteres i videoen og / eller protokollen delen av dette manuskriptet. Dette faktum er også tilfellet for de dataanalyseprosedyrer. Modifikasjoner på eksperimentelle oppsettet er normalt gjort off-line i mellom den tildelte &quot;beamtime&quot;. Fordi fokuset av disse eksperimentene er på kvantitativ måling av forbrenningsmellomprodukter, er det svært viktig å ha stabile og reproduserbare flammer. Videre er det nødvendig å velge med omhu for fotonenergier og den andre skanne parametere for å oppnå enn tilfredsstillende sett av eksperimentelle data som er tilstrekkelig for en pålitelig bestemmelse av flamme struktur. De flamme eksperimenter utført på Advanced Light Source har med hell bidratt til å avdekke kjemien av benzen formasjonen i hydrokarbon flammer 7. En fremtredende rolle resonansstabiliserte radikaler som forløpere er etablert, for eksempel, med identifikasjon av propargyl-, allyl-, og i-C 4 H 5 radikaler. Fordi benzen dannelse er tenkt å være bare første skritt i den generelle sot-formasjonen prosessen, ekstra innsats er i gang på Advanced Light Source å identifisere den kjemiske sammensetningen av flamme-samplet sotpartikler. Sammenlignet med tilsvarende tidligere sot-sampling eksperimenter 28, gjør dette nyetablerte aerosol-sampling eksperiment for opptak nær-terskelmassespektra, noe som betyr at fotonet energi kan være innstilt presist to være bare litt over komponenter &#39;ionisering energier, og dermed unngår fragmentering. Videre er fragmentations også i stor grad unngås ved å anvende prosessen med flash-fordampning av det temperaturkontrollerte kobberblokk. Imidlertid er for tiden begrenset av eksperimentet ikke er i stand til å gi kvantitative data. Også, de registrerte massespektrene er ikke partikkel bestemt, men i gjennomsnitt over mange partikler sannsynligvis varierende i sammensetning og størrelse. I tillegg, kan kondens og forekommer i prøvetakingssonde, kompliserer identifisering av arter forbundet med partikler i flammen. Videre må arten detekterte være flyktig nok til å fordampe ved den temperatur av kobberblokk (300-400 ° C) under vakuum. Ikke desto mindre tyder tidlig kvalitative data at blandingene sot forløper arter er avhengig av den kjemiske struktur av brennstoffet, og at sot-forløper-formasjonsmekanismer er kinetisk drevet i motsetning til thermodynamically. De spray massespektrometri innsats er for tiden på et tidlig stadium, og den innsikten høstet så langt identifisere flere forskningsmuligheter. Videre arbeid på sot-dannelse prosesser er egnet til å fokusere på kjemien utover den første aromatiske ring, dvs. dannelsen av inden, naftalen, antracen, osv., og deres isomerer. Det ultimate målet er å forstå kjemi (og fysikk) av partikkel begynnelsen, og å utvikle en prediktiv modell som kan beskrive hele sot-formasjonen prosessen (fra drivstoff oksidasjon til partikkel koagulasjon).

Etablering av en konsekvent og forutsigbar ordning for molekylær vekst og sot formasjonsprosesser er en av de største utfordringene i forbrenningskjemi forskning 8,9. Forbrennings prosesser utgjør over halvparten av de fine partikler luftforurensning (PM 2,5 - fine partikler som er definert av en aerodynamisk diameter på ≤ 2,5 um), og, for å redusere utslipp av disse uønskede forbrennings-biprodukter, er det viktig å kjenne deres identiteter, konsentrasjoner , og dannelse trasé 10. Naturen av forbrenning biprodukter er påvirket av drivstoff og under hvilke forhold den er brent. Mange studier har knyttet forbrenningsutslipp til akutte miljø-og helseeffekter 11-13. For eksempel, forbrenningsgenerert partiklene har en sterk innflytelse på luftkvaliteten, atmosfærisk synlighet, og strålingsbalansen i jordas atmosfære. Det antas at den kjemiske sammensetningen av den luftbårne kamustion-genererte partikler bestemmer deres toksisitet, noe som vanligvis forbindes med polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH). De sistnevnte art anses å være de molekylære forløpere for sot, og de er dannet i ufullstendige forbrenningsprosesser. Igjen, for å identifisere disse prosesser fremdeles er et utfordrende problem. Generelt sett er det forbrenningsreaksjoner, som er på opprinnelsen til disse utslippene, følg komplisert drivstoff nedbrytning og oksidasjon trasé, som involverer mange forskjellige reaktive arter. De er forbundet i et nettverk av hundrevis eller tusenvis av reaksjoner som er avhengig av hvor på temperatur og trykk 14,15. Laminar, ferdigblandet, brenner-stabilisert flate flammer, noe som kan bli etablert ved trykk så lavt som 20-80 mbar (15-60 Torr), representerer en av de standard forbrennings miljøer som vanligvis brukes for å løse denne kompliserte kjemiske nettverk og å undersøke forurensende Potensial til eny gitt prototypiske drivstoff 16. I denne konfigurasjonen, er drivstoffet og at oksidasjons allerede blandet når de når flammen foran; Dermed er frekvensen av forbrennings dominert av kjemiske prosesser og ikke ved blanding. Ved drift av disse flammer på et sub-atmosfærisk trykk, er den fysiske tykkelse av reaksjons region økes, slik at for bedre romlig oppløsning på temperatur-og konsentrasjons-gradienter med laser-baserte eller probe-prøvetakingsteknikker 1,17. For å nøyaktig analysere den kjemiske sammensetningen av en slik flamme, er et analytisk verktøy som kreves som gir universell deteksjon av alle arter samtidig, høy følsomhet og dynamisk område og god selektivitet mellom isomerene, og kontroll av molekyl fragmentering. Et gjennombrudd i forbrenningskjemi-undersøkelser ble oppnådd ved bruk av flamme-sampling massespektrometri ved synkrotron lyskilder hvor avstembar vakuum-ultrafiolett (VUV) stråling brukes for nær-trelagShold single-foton ionisering 5,6. I flamme eksperimenter ved Advanced Light Source (ALS) av Lawrence Berkeley National Laboratory, som er vist i den medfølgende videoen, er gassprøver trukket fra innenfor de forhåndsblandede flammer av en kvarts kjegle, utvidet til høyere vakuum, og ionisert av VUV fotoner 1,5. Det eksperimentelle oppsettet er vist skjematisk i figur 1.. Nøkkelen til suksess for dette forsøk, har vært muligheten til å justere energien av de ioniserende fotoner i et passende område for å minimalisere eller unngå photofragmentation og å tillate isomer spesifisitet 1,3 , 5,18. Som vist i videoen, kan photoionization effektivitet (PIE) kurver bli registrert av tuning fotonet energi 19, som tillater oss å identifisere spesifikke isomere arter i den kompliserte flamme blanding. Kaken kurver for enkelte arter generelt har forskjellige funksjoner, det vil si, ionisering terskler, former og intensiteter. Videoen etlso viser den eksperimentelle fremgangsmåte som kan benyttes til å bestemme mole-fraksjonsprofiler av de enkelte komponenter som en funksjon av avstanden til brenneroverflaten. Disse ALS-baserte forbrennings eksperimenter har blitt fokusert på sot-formasjonsprosesser i hydrokarbon flammer og på oksidasjon av oksygenrikt, neste generasjon, bio-avledet drivstoff 1,20. Med hensyn til sot-formasjon problem, forsøkene avdekket mange nye innsikter. I sammendrag, er det nå forstås at den kjemiske struktur av brennstoffet påvirker identitet (og mengden) av forløper-molekyler, og at følgelig mange forskjellige baner kan bidra til det første trinn av den samlede sot-dannelse prosessen 7,21. Enda dypere innsikt i sot-formasjon kjemi ble oppnådd når identifisere de kjemiske komponentene i flammegenerert sot nanopartikler med en ALS-baserte aerosol massespektrometer. I denne nye forsøket, som er explained i andre halvdel av videoen, er ikke ferdigblandet (diffusjon) flammer brukes. Det eksperimentelle oppsettet er også vist i figur 1. I denne konfigurasjonen, blir en flamme etablert ved nær-atmosfærisk trykk [933 mbar (700 Torr)] mellom to motstående skivelignende stråler av brensel og oksidant. Fordi brensel og oksidant bekker forblir atskilt utenfor reaksjonssone, gir denne konfigurasjonen en god mulighet til å undersøke molekylære vekstprosesser. Flamme-genererte partikler blir trukket tilbake fra flammen ved hjelp av en kvarts-mikrosonde og deretter konsentrert med en aerodynamisk linse-system på en oppvarmet kobber mål, hvor partiklene flash-fordamper og bryte fra hverandre i sine enkelte bestanddeler. Disse molekylbyggestener blir deretter ionisert ved VUV fotoner fra ALS, og tilsvarende ioner blir massen valgt 4.. Ikke alt det nødvendige arbeidet kan bli vist i videoen, men de aerosoldata tyder på at sot-formasjon mekanismer kan være kineticall<html> y og ikke termodynamisk kontrollert. Videre dataene tyder også på at den allment aksepterte H-abstraksjon-C 2 H 2-tillegg (HACA) mekanisme, der små aromatiske arter vokser til større polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH) med en repeterende sekvens av H-abstraksjon og C 2 H 2-addisjonsreaksjoner, kan ikke forklare alle de observerte partikkel bestanddeler. Kombinert med videoen, detaljer følgende protokolldatafangst prosedyrer. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig1highres.jpg" width="500" /> Figur 1. Skjematisk fremstilling av flamme-prøvetaking molekylær stråle og spray massespektrometri eksperimenter på Advanced Light Source av Lawrence Berkeley National Laboratory. Med tillatelser fra refs. 2 og 4.9fig1highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

<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

Følgende eksperimentelle protokoller og den medfølgende videoen er opptatt med flamme eksperimenter som er utført ved Kjemisk Dynamics Beamline av Advanced Light Source (ALS) av Lawrence Berkeley National Laboratory 1-4. Denne videoen viser hvordan de komplekse kjemiske strukturer av laboratoriebasert modell flammer er analysert ved hjelp av flamme-prøvetaking massespektrometri med tunbare synkrotron generert vakuum-ultrafiolett (VUV) stråling. Denne eksperimentelle metode kombinerer isomer-løse evner med høy sensitivitet og stort dynamisk område 5,6. Den første delen av video beskriver forsøk med brenner-stabilisert, redusert trykk (20 til 80 mbar) laminære forhåndsblandede flamme. En liten hydrokarbonbrennstoff ble benyttet for det valgte flammen til å demonstrere den generelle eksperimentell tilnærming. Det er vist hvordan artenes profiler er ervervet som en funksjon av avstand fra brenneren overflaten og hvordan tunability av VUVfotonenergi brukes med fordel for å identifisere mange forbrenningsmellomprodukter basert på deres ionisering energier. For eksempel har denne teknikken blitt brukt til å studere gassfase aspekter av sot-dannelse prosesser, og videoen viser hvordan resonansstabilisert radikaler, slik som C 3 H 3 C 3 H 5, og i-C 4 H 5, er identifisert som viktige mellomprodukter 7. Arbeidet har vært fokusert på sot formasjonsprosesser, og, fra kjemisk synspunkt, er denne prosessen svært spennende fordi kjemiske strukturer som inneholder millioner av karbonatomene er satt sammen av en drivstoff molekyl som innehar bare noen få karbonatomer i løpet av millisekunder. Den andre del av video belyser et nytt eksperiment, hvor en mot-strømnings diffusjonsflamme og synkrotron baserte aerosol massespektrometri blir brukt for å studere den kjemiske sammensetning av forbrenningsgenererte sotpartikler 4. De eksperimentelle resultatene indikerer that den allment aksepterte H-abstraksjon-C 2 H 2-tillegg (HACA) mekanismen er ikke den eneste molekylær vekstprosessen ansvarlig for dannelsen av de observerte store polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH).

En typisk massespektrum av flamme-samplet gasser fra lavtrykks forblandet brenneren er vist i figur 5.. Identiteten til de artene som bidrar til signalet som fremkommer ved flamme-samplet photoionization effektivitet (PIE) kurver for hver masse-til- charge (m / z)-forhold og deres forhold til kjente isomer spesifikke ionisering energier og PIE kurver. Typiske eksempler på flamme-samplet PIE-kurver er vist i figur 6 for m / z = 39 (C-3 H 3), og 41 (C-3-H 5). Dataene er tatt fra en støkiometrisk propyne flamme 22.. Signalet blir entydig identifisert ved sine karakteristiske ionisering terskler å stamme fra den resonantly stabilisert både propargylgrupper og allyl-radikaler. For mange m / z-verdier, er flere isomerer rutinemessig identifiseres ved å observere flere terskler. Mange eksempler er omtalt i stor utstrekning i litteraturen, for eksempel, m / z= 40 (allene og propyne), 44 (ethenol og acetaldehyd), 54 (1,3-butadien, 1-butyn, og 2-butyn), eller 78 (fulvene og 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 massespekteret. Innspilt med fotoner av 9,9 eV på 1,25 mm avstand fra lavtrykksferdigblandet brenner i et støkiometrisk propyne-O 2 flamme. Alle topper lett kan tilordnes til forskjellige forbrenningsmellomprodukter som beskrevet i det neste trinn. <img alt="Figur 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig6highres.jpg" width="500" /> Figur 6. Flame-samplet photoionization effektivitetskurver for m / z = 39 og 41. Den resonantly stabilisert radikaler Propargyl og enllyl entydig kan identifiseres basert på de observerte ionisering terskler. Når den isomere blanding er kjent, blir massespektra tatt ved forskjellige fotonenergier og innenfra forskjellige posisjoner i flammen, som beskrevet ovenfor i den protokoll seksjon, for å tillate bestemmelse av isomer-spesifikk molfraksjonen profiler av de enkelte artene som en funksjon av avstand fra brennerflaten. Representative mol-fraksjon profiler av fulvene og benzen i et støkiometrisk propyne flammen fra det lavtrykk forblandet brenneren er vist i figur 7 22. For hver flamme, typisk en total på 40 til 50 individuelle mol-fraksjon profiler er bestemt for arter som strekker seg fra m / z = 1 (H-atom) til m / z = 78 (benzen-og / eller fulvene) eller til og med høyere, avhengig av den vitenskapelige mål. Disse molfraksjonen profilene blir deretter brukt for å vurdere den logiske egenskapene til forbrenningskjemi-modeller, og for å validate dem. <img alt="Figur 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig7highres.jpg" width="500" /> Figur 7. Eksperimentelle molfraksjonen profiler. Profiler av fulvene og benzen i en støkiometrisk propyne lue fra lavtrykksferdigblandet brenner. En typisk spraymassespektrum er vist i figur 8.. Det ble tatt fra en propan motsetning strømning diffusjonsflamme. Ion-signal ble observert for arter med m / z forhold varierende 150-600, med en topp rundt m / z = 226. Det er utover dagens eksperimentelle evner å identifisere alle arter observert i massespekteret eller å løse sine mulige dannelsen trasé. Inntak av slike massespektra som en funksjon av avstand fra brenselutløps som beskrevet ovenfor (og vist i video) gir romlig løst profiler. En reprerepresentativt eksempel er vist i innløpet til figur 8 for m / z = 256 (C 20 H 16) arter. Lignende profiler kan oppnås for en hvilken som helst av de andre arter, så vel som følgelig kan brukes som mål for validering av en hvilken som helst forbrenningskjemi-modellen. <img alt="Figur 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig8highres.jpg" width="500" /> Figur 8. Flame-samplet aerosol masse spekteret fra en propan-O 2 motsetning-flow diffusjon flamme. Innløpet viser en representant romlig løst profil for C 20 H 16 arter på 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

Gassprøver fra laboratorieskala flammer med elektronisk analyse av alle arter av massespektrometri er en kraftig metode for å undersøke kompleks blanding av kjemiske forbindelser som oppstår under forbrenningsprosesser. Sammen med tunbare myk ionisering via synkrotron generert vakuum-ultrafiolett stråling, gir denne teknikken isomer-løst informasjon og potensielt fragment-free mass spektra.

Flamme Eksperimenter ved Advanced Light Source: Ny innsikt i Soot Formasjon Prosesser

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

Polykrystallinsk silisium Thin-film solceller med plasmonic forbedret lys-fangst

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 Spectroscopy At Ultra-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

Integrering av en Triplet-triplet Annihilation Up-konvertering system for å øke Dye-sensitivisert Solar Cell Response til Sub-bandgap Lett

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

Failure Analysis of Batteries Bruke Synchrotron baserte Hard X-ray 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 av X-ray Beam Coherence sammen flere retninger ved hjelp av 2-D Sjakkbrett fasegitter

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

Bruke Synchrotron Radiation microtomography å etterforske Multi-skala Tredimensjonal Mikro 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

Utskrift Fabrikasjon av Bulk hetero 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

Studerer dynamiske prosesser av Nano store objekter i flytende ved hjelp av skanning transmisjonselektronmikroskopi

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

Eksperimentell gjennomføringen av en ny sammensatt fabrikasjon metode: utsette nakne fiber på sammensatte overflaten av myke lag metoden

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 ...