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 är ett multiprogram laboratorium som drivs av Sandia Corporation, en Lockheed Martin Company, för National Nuclear Security Administration under kontrakt DE-AC04-94-AL85000. Arbetet stöddes också av US Department of Energy, Office of Basic Energivetenskaper under Single Investigator liten grupp Forskningsprojekt (Grant nr DE-SC0002619) av Prof. Violi (University of Michigan, Ann Arbor). KRW stöds av Department of Energy, Office of Science, Early Career Research program inom US Department of Energy kontrakt nr DE-AC02-05CH11231. Advanced Light Source stöds av direktören, Office of Science, Office of Basic Energivetenskaper, av US Department of Energy enligt kontrakt nr DE-AC02-05CH11231. KKH erkänner fortsatta stöd för en del av denna forskning av DFG under kontrakt KO 1363/18-3.

1. Gasfas Experiment <ol><li> Antända Lågtrycks förblandad flamma <ol><li> Kontrollera att kylvattnet strömmar genom brännaren och lågan kammarväggen och att lågan kammaren pumpas ner till ~ 0,1 mbar. </li><li> Upprätta en 1 L / min flöde av argon och en 1,5 L / min flöde av syre genom brännaren ytan och upprätthålla ett tryck av 80 mbar (60 torr) i flamman kammaren. </li><li> Placera hot-wire tändare över brännaren ytan; ställa in väteflödet till 0,4 l / min, och snabbt aktivera tändaren. </li><li> Efter tändning, stäng av hot-wire tändare, och flytta den bort från brännaren. </li><li> Upprätta de önskade flöden av argon, syre, väte och bränsle. Justera trycket för att matcha villkoren för målet lågan [vanligen 20-40 mbar (15-30 torr)]. Anm: Flame villkor för individuella flammor är anordnade i den ursprungliga litteraturen. Exempelvis flöden för den stökiometriska allén och propyn lågor ärlistas i Hansen et al 22. </li></ol></li><li> Förvärv av Photoionization Effektivitet (PIE) Curves - Energi Scan <ol><li> När trycket i joniseringskammaren är ≤ 10 -6 mbar, applicera spänningarna till de jon-optiken i time-of-flight masspektrometer och mikrokanalplatta-detektor och öppna strålröret ventiler. Anm: Tidigare kalibreringsexperiment (visas i videon) användes för att hitta spänningsinställningen för optimal prestanda masspektrometer. </li><li> Starta Labview datainsamlingsprogrammet &quot;General Interface.vi&quot; (figur 2) och flytta brännaren till önskad position med hjälp av &quot;motor&quot; fliken i programmet. OBS: Denna Labview kod utvecklades vid strålröret och finns tillgänglig på begäran. </li><li> Använd fliken &quot;Allmänt&quot; för att definiera skanningsparametrarna, det vill säga, antalet steg per eV av fotonenergi. Normalt är en steglängd på 0,05 eVanvändas. </li><li> Använd fliken &quot;ALS&quot; för att ställa in fotonenergi till önskat startvärde, och definiera &quot;ALS energi&quot; för att vara &quot;aktiv&quot;. </li><li> På &quot;Control&quot;-panelen, aktivera &quot;K6485&quot; för att läsa av fotoström mäts av fotodiod. </li><li> På &quot;P7886&quot; fliken, använd knappen &quot;Set Parameters&quot; för att ställa in antalet svep (normalt mellan 2 19 och 2 21), det antal lådor (normalt 48k), och bin bredden (500 ps). </li><li> Ange en giltig sökväg och namn, och klicka på &quot;Start&quot; för att starta den datorstyrda datainsamlingsprocessen. </li></ol></li><li> Förvärv av Mass Spectra - Burner Scan <ol><li> Applicera de spänningar som för energi avsökningar till jon optik time-of-flight masspektrometer och mikrokanalplatta-detektor. </li><li> Öppna strålröret ventiler för att göra det möjligt för fotonstråle i kammaren. </li><li> Öppna Labview uppgifter acquisition programmet &quot;General Interface.vi&quot;. </li><li> Med hjälp av &quot;motor&quot; fliken i programmet, använder du &quot;Jogger&quot; att flytta brännaren ytan så nära som möjligt till provtagnings konen, och definiera den positionen som &quot;Origin&quot;. Definiera motorn att vara &quot;aktiv&quot;. </li><li> Använd för att fliken &quot;Allmänt&quot; för att definiera skanningsparametrarna, dvs antalet steg per mm av brännare rörelse. Typiska värden är 0-5 mm i 20 steg, 5-20 mm i 15 steg, och 20-30 mm i 5 steg. </li><li> Använd fliken &quot;ALS&quot; för att ställa den fotonenergi till det önskade värdet. Typiska värden är från 8 till 16,65 eV. </li><li> På &quot;Control&quot;-panelen, aktivera &quot;K6485&quot; för att läsa av fotoström mäts av fotodiod. </li><li> På &quot;P7886&quot; fliken, använd knappen &quot;Set Parameters&quot; att starta en sub-VI (Figur 3) för att ställa in antalet svep, det vill säga antalet masspektra Added ovanpå varandra vid varje brännare läge (normalt mellan 2 19 och 2 21), varvid antalet behållare (normalt 48k), och bin bredden (500 usek). </li><li> Ge en giltig sökväg och namn, och klicka på &quot;Start&quot; för att påbörja automatisk datainsamling process. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" width="500" /> Figur 2. Grafiskt användargränssnitt av datainsamlingsprogrammet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="Figur 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" width="500" /> Figur 3. Grafiskt användargränssnitt INTERFACe för att mata in flerkana scaler parametrar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" target="_blank">klicka gärna här för att se en större version av denna siffra.</a> 2. Aerosol Experiment <ol><li> Tänder Near-atmosfärstryck Motståndare-flöde Flame <ol><li> Kontrollera att kylvattnet strömmar genom brännaren, att reaktanten försäljningsställen är ca. 10 mm från varandra, och att flamman kammaren pumpas ned till det minsta uppnåbara tryck (~ 2 mbar). </li><li> Fyll lågan kammaren med argon och ta trycket upp till ca 860 mbar (650 torr). </li><li> Placera tändpolen ca. i centrum av de två brännare utloppen. </li><li> Ställ in gasflöden enligt följande (Ar bör redan flyter eftersom det användes för att fylla kammaren): oxidationsmedel stream: O 2 0,3 L / min och Ar 1,6 L / min; Oxidizer stream coflow: Ar 2,5 L / min; Bränsle stream: H2 0,3 L / min, Ar 2,5 L / min; Bränsle ström coflow: Ar2,5 L / min. </li><li> Öppna ventilerna väte och syre, och omedelbart slå på tändpole. </li><li> När lågan tänds, stäng av tändpolen, och dra den. </li><li> Upprätta de önskade flöden av syre, argon och bränsle. Stäng av flödet av väte, och ställa tryck och reaktant utlopp separation till önskade värden för mål-flamma. Anmärkning: De flödeshastigheter för propanflamma, som visas i videon, är anordnade i Skeen et al 4. </li></ol></li><li> Förvärv av en aerosol Masspektrum <ol><li> Tillämpa lämpliga spänningar till jon optik och detektor i AMS. Obs: spänningsinställningen för optimal prestanda fanns i tidigare kalibreringsexperiment, som inte visas i videon. </li><li> Öppna Labview datainsamlingsprogrammet &quot;General Interface-Motståndare-Flow.vi&quot;. Anmärkning: Detta VI är en modifikation av &quot;General Interface.vi&quot;, i vilken motorstyrningen har uppdaterats tillmatcha de nya behoven. </li><li> Använd &quot;Jogger&quot; program på &quot;Motor&quot;-fliken för att översätta den motsatta-flöde brännare så att kvartsmikrosond är i positionen närmast bränsleflödet utlopp (Figur 4). Även i detta läge, återställ motorsteg ställning till noll. Detta förfarande definierar &quot;ursprung&quot; läge. </li><li> Öppna långsamt kvarts varv kulventil möjliggör flödet från brandprovtagningsledningen i den aerodynamiska lins (ADL) systemet. Bekräfta att trycket vid utloppet av ADL är nära 1 x 10 2 mbar. </li><li> Använd fliken &quot;Allmänt&quot; för att definiera skanningsparametrarna, det vill säga, antalet steg per mm av brännarens rörelse (brännare scan) eller fotonenergi (energi scan). </li><li> Använd fliken &quot;ALS&quot; för att ställa in önskad fotonens energi, och använda den &quot;motor&quot;-fliken för att flytta brännaren till önskad brännare läge. </li><li> Använd &quot;P7886&quot; fliken och &quot;Set Parameters &quot;knappen däri att ställa in förvärvet parametrar. </li><li> Definiera &quot;Motor&quot; (brännare scan) eller &quot;ALS Energi&quot; (energi scan) för att vara &quot;aktiv&quot;. </li><li> Sätt i en giltig sökväg och namn i respektive fält, och klicka på &quot;Start&quot;. Aerosol masspektra nu automatiskt tas. </li></ol></li></ol><img alt="Figur 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" width="500" /> Figur 4. Grafiskt användargränssnitt för brännare rörlighet för den motsatta-flödet flamma församling. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</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>

Författarna har ingenting att lämna ut.

Den beskrivna kombinationen av eld-provtagning och synkrotron-baserade VUV enda foton jonisering med masspektrometri ger den mest detaljerade inblick i den kemiska sammansättningen av laboratoriebaserad modell lågor närvarande möjligt. Masspektrometern ger universell detektering av alla flamma arter samplade samtidigt med hög känslighet (ppm intervall) över ett brett dynamiskt omfång. Instrumental för att lyckas med denna teknik är att använda synkrotron-genererade VUV fotoner, vars energier kan lätt ställas in, för att ge god selektivitet mellan isomerer och kontroll av fragmentering. Den sistnämnda faktorn är viktig vid analys av komplexa blandningar. Funktionerna i den beskrivna experimentet är oöverträffade av gaskromatografi, som ofta används för isomer-separation, och med konventionella joniseringstekniker använder energirika elektroner. Begränsningar med synkrotron-baserad teknik uppstår från det faktum att, särskilt för större massa-till-laddningsförhållanden, maNY olika isomerer är tänkbara, som sedan inte kan identifieras, och deras bidrag kan inte separeras tillförlitligt 1. De experimentella resultaten, i form av isomer-resolved flamskyddskompositioner, kan ge förbättrade kinetiska modeller av förbränningskemi på en exceptionellt detaljerad molekylär nivå. De beskrivna experimenten är mycket komplicerad och en beskrivning av de felsökningsåtgärder som är längre än vad som kan dokumenteras på video och / eller protokoll avsnitt i detta manuskript. Detta faktum gäller även för de förfaranden dataanalys. Ändringar av försöksuppställningen sker normalt off-line i mellan den tilldelade &quot;stråltiden&quot;. Eftersom tyngdpunkten i dessa experiment är på den kvantitativa bestämningen av förbränningsmellanprodukter, är det mycket viktigt att ha stabila och reproducerbara flammor. Vidare är det nödvändigt att på ett klokt sätt välja de fotonenergier och de andra scan-parametrar för att erhålla enn adekvat uppsättning av experimentella data som är tillräckligt för en tillförlitlig bestämning av lågan strukturen. De flamma experiment som utförts vid Advanced Light Source har framgångsrikt bidragit till att riva upp kemin i bensenbildningen i kolväte lågor 7. En framträdande roll resonansstabiliserade radikaler som prekursorer har etablerats, till exempel, med en identifiering av propargyl, allyl-, och i-C 4 H 5 radikaler. Eftersom bensenbildningen tros vara bara det första steget i den övergripande sot-bildningsprocessen, ytterligare insatser pågår vid Advanced Light Source att identifiera den kemiska sammansättningen av flam-samplade sotpartiklar. Jämfört med liknande tidigare sot-provtagning experiment 28, ger detta nybildade aerosol-sampling experiment för inspelning nära tröskeln masspektra, vilket innebär att fotonens energi kan anpassas exakt to vara endast något över komponenternas jonisering energier och därmed undvika fragmentering. Vidare är skärv också till stor del undvikas genom att använda förfarandet enligt flash-förångning på den temperaturstyrda kopparblock. Dock är experimentet närvarande begränsad av att inte kunna ge kvantitativa data. Även de inspelade masspektra inte partikel specifika, men i genomsnitt över många partiklar troligen varierande sammansättning och storlek. Dessutom kan kondensation och förekommer i provsonden, komplicera identifiering av arter som är förknippade med partiklar i flamman. Vidare måste de arter som upptäckts vara tillräckligt flyktiga för att förångas vid temperaturen hos kopparblocket (300-400 ° C) under vakuum. Icke desto mindre antyder den tidiga kvalitativa data att kompositionerna enligt sot bildande arter är beroende av den kemiska strukturen av bränslet och att sot-prekursor-bildningsmekanismerna är kinetiskt drivs i motsats till thermodynamically. Den aerosol spektrometri insatser samlas för närvarande i ett tidigt skede, och de insikter hittills identifiera fler forskningsmöjligheter. Framtida arbete på sot-bildningsprocesser är benägna att fokusera på kemin bortom den första aromatiska ringen, dvs bildningen av inden, naftalen, antracen, etc, och deras isomerer. Det slutliga målet är att förstå kemin (och fysik) av partikel starten, och att utveckla en prediktiv modell som kan beskriva hela sot-formation process (från bränsle oxidation till partikel koagulering).

Att upprätta en konsekvent och automatisk mekanism för molekylär tillväxt och sot bildningsprocesser är en av de största utmaningarna i förbränningskemiforskning 8,9. Förbränningsprocesser står för över hälften av den fina partikelluftföroreningar (PM 2,5 - fina partiklar definieras av en aerodynamisk diameter ≤ 2,5 mikrometer), och, för att minska utsläppen av dessa oönskade förbrännings biprodukter, är det viktigt att känna sina identiteter, koncentrationer och bildning spridningsvägar 10. Den typ av förbränning biprodukter påverkas av bränslet och de villkor under vilka den bränns. Många studier har kopplat förbränningsutsläpp till akuta miljö-och hälsoeffekter 11-13. Exempelvis förbränningsgenererade partiklar har en stark inverkan på luftkvalitet, atmosfär synlighet, och strålningsbalans av jordens atmosfär. Det antas att den kemiska sammansättningen av det luftburna kamustion genererade partiklar bestämmer deras giftighet, som ofta förknippas med polycykliska aromatiska kolväten (PAH). De sistnämnda arter anses vara den molekylära prekursorer av sot, och de är utformade i ofullständiga förbränningsprocesser. Återigen, för att identifiera dessa processer fortfarande är ett utmanande problem. Generellt sett förbränningsreaktioner, vilka ligger till grund för dessa utsläpp, följ komplicerade bränsle nedbrytning och oxidation banor, som omfattar många olika reaktiva ämnen. De är anslutna i ett nätverk av hundratals eller tusentals reaktioner vars priser är beroende av temperatur och tryck 14,15. Laminar, färdigblandad, brännare stabiliserad platta lågor, som kan fastställas vid tryck så låga som 20-80 mbar (15-60 torr), utgör en av de vanliga förbränningsmiljöer som vanligen används för att riva upp denna komplexa kemiska nätverk och att utreda förorenings potentialen hos eny givet proto bränsle 16. I denna konfiguration är bränslet och oxidationsmedlet redan blandas när de når flamfronten; således, är förbränningshastigheten domineras av kemiska processer och inte av blandning. Genom att manövrera dessa flammor vid ett underatmosfäriskt tryck, är den fysiska tjockleken av reaktionsområdet ökas, vilket möjliggör förbättrad rumslig upplösning av temperatur-och koncentrationsgradienter med laserbaserade eller sondprovtagningstekniker 1,17. För att noggrant analysera den kemiska sammansättningen av dessa lågor, är ett analysverktyg som krävs som ger universell detektering av alla arter samtidigt, hög känslighet och dynamiskt omfång, bra selektivitet mellan isomerer, och kontroll av molekylär fragmentering. Ett genombrott i förbränningskemi forskning uppnåddes med hjälp av brand provtagning masspektrometri vid synkrotronljus ljuskällor där avstämbara vakuum-ultraviolett (VUV) strålning används för nära-threShold single-photon ionization 5,6. I flamma experiment vid Advanced Light Source (ALS) i Lawrence Berkeley National Laboratory, som visas i den medföljande videon, är gasprover dras inifrån de förblandade flammor från en kvarts kon, expanderat till högre vakuum, och joniseras av VUV Fotoner 1,5. Den experimentella uppställning visas schematiskt i Figur 1. Nyckeln till framgång för detta experiment har varit förmågan att avstämma energin hos den joniserande fotoner i ett lämpligt område för att minimera eller undvika photofragmentation och tillåta isomer specificitet 1,3 , 5,18. Som visas i videon, kan photoionization effektivitet (PIE) kurvor registreras genom att ställa fotonenergin 19, som tillåter oss att identifiera specifika isomera arter i komplicerade lågan blandningen. Pajen kurvorna för enskilda arter har i allmänhet olika funktioner, dvs jonisering trösklar, former och intensiteter. Videon aLSO visar den experimentella tillvägagångssätt som används för att fastställa mole-fraktionsprofilerna för de individuella komponenterna som en funktion av avståndet till brännaren ytan. Dessa ALS-baserade förbränningsförsök har fokuserat på sot-bildningsprocesser i kolväte lågor och på oxidation av syresatta, nästa generation, bio-bränsle som utvinns ur 1,20. Med avseende på sot-formation problem experimenten avslöjade många nya insikter. I sammanfattning, är det nu klart att den kemiska strukturen av bränslet påverkar identitet (och mängden) av prekursormolekyler och att följaktligen många olika vägar kan bidra till att det första steget i den övergripande sot-bildningsprocessen 7,21. Ännu djupare insikter i sot-formation kemi nåddes vid identifiering av kemiska beståndsdelar av flam-genererade sot nanopartiklar med en ALS-baserad aerosol masspektrometer. I detta nya experiment, vilket är explained under andra hälften av videon, är icke-färdigblandad (diffusion) lågor används. Den experimentuppställning visas också i figur 1. I denna konfiguration är en flamma upprättas vid nära atmosfärstryck [933 mbar (700 Torr)] mellan två motstående laminära strålar av bränsle och oxidationsmedel. Eftersom bränsle och oxidationsmedel strömmar förblir åtskilda utanför reaktionszonen, ger denna konfiguration ett bra tillfälle att undersöka molekylära tillväxtprocesser. Flame-genererade partiklar dras tillbaka från lågan med hjälp av en kvartsmikrosond och därefter fokuserat med en aerodynamisk linssystem på en uppvärmd mål koppar, där partiklarna flash förångas och bryta sönder i sina enskilda beståndsdelar. Dessa molekylära byggstenar därefter joniseras av de VUV fotoner från ALS, och de motsvarande jonerna massa vald 4. Inte allt det nödvändiga arbetet kan visas i videon, men uppgifter aerosol föreslår att sot-bildningsmekanismer kan vara kineticall<html> y och inte termodynamiskt kontrollerade. Dessutom data tyder också på att den allmänt accepterade H-abstraktion-C 2 H 2-tillägg (HACA) mekanism, där små aromatiska arter växer till större polycykliska aromatiska kolväten (PAH) med en upprepad sekvens av H-abstraktion och C2 H 2-additionsreaktioner, kan inte förklara alla observerade partikel beståndsdelar. Kombinerat med videon, den följande protokollinformation datainsamlingsförfaranden. <img alt="Figur 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig1highres.jpg" width="500" /> Figur 1. Schematisk bild av lågan-provtagning molekylär balk och aerosol masspektrometri experiment vid Advanced Light Source för Lawrence Berkeley National Laboratory. Med tillstånd från ref. 2 och 4.9fig1highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klicka här för att se en större version av denna siffra.

<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

Följande experimentella protokoll och den medföljande videon handlar om flamskydds experiment som utförs på Kemisk dynamik strålröret av Advanced Light Source (ALS) i Lawrence Berkeley National Laboratory 1-4. Denna video visar hur komplexa kemiska strukturerna för laboratoriebaserad modell lågor analyseras med brand provtagning masspektrometri med avstämbara synkrotronljus genererade vakuum-ultraviolett (VUV) strålning. Denna experimentella tillvägagångssätt kombinerar isomer-lösa kapacitet med hög känslighet och ett stort dynamiskt omfång 5,6. Den första delen av videon beskriver experiment med brännare-stabiliserad, reducerat tryck (20-80 mbar) laminära förblandade flammor. En liten kolvätebränsle användes för den valda låga för att demonstrera den allmänna experimentella tillvägagångssätt. Det visas hur arternas profiler förvärvas som en funktion av avstånd från brännaren ytan och hur avstämbarhet av VUVfotonenergi används med fördel för att identifiera många förbränningsmellan baserat på deras jonisering energier. Till exempel, har denna teknik använts för att studera gasfas aspekter av sot-bildningsprocesser och videon visar hur resonansstabiliserade radikaler, såsom C 3 H 3 C 3 H 5 och I-C 4 H 5, är identifierade som viktiga mellanprodukter 7. Arbetet har fokuserats på sot bildningsprocesser, och, ur kemisk synpunkt är denna process mycket spännande eftersom kemiska strukturer som innehåller miljontals kolatomer är sammansatta av en bränslemolekyl som har bara ett fåtal kolatomer på bara millisekunder. Den andra delen av videon belyser ett annat experiment, i vilket en motsatt flödes diffusionsflamma och synkrotron-baserad aerosol masspektrometri används för att studera den kemiska sammansättningen av förbränningsgenererade sotpartiklar 4. De experimentella resultat indikerar thatt den allmänt accepterade H-abstraktion-C 2 H 2-tillägg (HACA) mekanism är inte den enda molekylära tillväxtprocess ansvarar för bildandet av de observerade stora polycykliska aromatiska kolväten (PAH).

En typisk masspektrumet för flamskyddsamplade gaser från lågtrycks förblandad brännare visas i figur 5. Identiteterna för de arter som bidrar till signalen frilägges genom lågan samplade photoionization effektivitet (PIE) kurvorna för varje massa-till- laddning (m / z) förhållande och deras jämförelse med kända isomer specifika jonisering energier och PIE kurvor. Typiska exempel på flamskyddssamplade PIE kurvor visas i Figur 6 för m / z = 39 (C 3 H 3), och 41 (C 3 H 5). Uppgifterna är hämtade från en stökiometrisk propyn låga 22. Signalen entydigt identifieras genom sina karakteristiska trösklar jonisering för att komma från de resonans stabiliserade propargyl och allyl radikaler. För många m / z-värden, finns flera isomerer rutinmässigt identifieras genom att observera flera trösklar. Många exempel har diskuterats utförligt i litteraturen, till exempel, m / z= 40 (allén och propyn), 44 (ethenol och acetaldehyd), 54 (1,3-butadien, 1-butyn, och 2-butyn) eller 78 (fulven och bensen) 23-27. <img alt="Figur 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig5highres.jpg" width="500" /> Figur 5. Time-of-flight mass-spektrum. Inspelad med fotoner av 9,9 eV på 1,25 mm avstånd från lågtrycks förblandad brännare i en stökiometrisk propyne-O 2 lågor. Alla toppar som lätt kan tilldelas till olika förbränningsmellanprodukter, såsom beskrivs i nästa steg. <img alt="Figur 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig6highres.jpg" width="500" /> Figur 6. Flame-samplade photoionization effektivitetskurvor för m / z = 39 och 41. De resonans stabiliserade radikaler propargyl och enllyl kan entydigt identifieras utifrån de observerade trösklar jonisering. När den isomera sammansättningen är känt framställs masspektra togs vid olika fotonenergier och inifrån olika positioner i flamman, såsom beskrivs ovan i protokollenheten, för att möjliggöra fastställandet av isomera specifika molfraktion profiler av enskilda arter som funktion av avståndet från brännaren ytan. Representativa mol-fraktions profiler av fulven och bensen i ett stökiometriskt propyn flamman från lågtrycks förblandad brännare visas i figur 7 22. För varje flamma, typiskt totalt 40 till 50 enskilda mol-fraktionsprofilerna bestämmes för arter som sträcker sig från m / z = 1 (H-atom) till m / z = 78 (bensen och / eller fulven) eller till och med högre, beroende på de vetenskapliga mål. Dessa molfraktion profiler används sedan för att bedöma de prediktiva kapacitet förbränningskemi modeller och att validate dem. <img alt="Figur 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig7highres.jpg" width="500" /> Figur 7. Experimentella molfraktion profiler. Profiler av fulven och bensen i ett stökiometriskt propyn flamman från lågtrycks förblandad brännare. En typisk aerosol masspektrum visas i Figur 8. Det togs inifrån en propan motsatt flödes diffusionsflamma. Ion-signal observerades för arter med m / z-förhållanden som sträcker sig från 150 till 600, med en topp runt m / z = 226. Det är bortom den nuvarande experimentella förmåga att identifiera alla de arter som observerats i masspektret eller att riva upp deras eventuella bildningsvägar. Med en sådan massspektra som funktion av avstånd från bränsleuttaget enligt ovan (och som visas i videon) tillhandahåller rumsligt upplösta profiler. En representativa exempel visas i inloppet i fig 8 för m / z = 256 (C 20 H 16) arter. Liknande profiler kan erhållas för någon av de andra arter, vilket följaktligen skulle kunna användas som validerings mål för varje förbränningskemi modell. <img alt="Figur 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig8highres.jpg" width="500" /> Figur 8. Flame-samplade aerosol masspektrum från en propan-O 2 motsatt flöde diffusionsflamma. Inloppet visar en representativ rumsligt upplösta profil för 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

Provtagning av gas från laboratorieskala lågor med online-analys av alla arter av masspektrometri är en kraftfull metod för att undersöka den komplexa blandning av kemiska föreningar som förekommer under förbränningsprocesser. Tillsammans med avstämbar mjuk jonisering via synkrotron genererat vakuum-ultraviolett strålning, ger denna teknik isomer upplöst information och potentiellt fragmentet fria masspektra.

Flame Experiment vid Advanced Light Source: Nya insikter om sotbildning 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

Polykristallina kisel tunnfilms-solceller med plasmoniska-enhanced Light-svällning

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-löst Photoemission spektroskopi på Ultra-låga 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

Att integrera en Triplet-triplett Annihilation uppkonvertering System för att förbättra Dye-sensibiliserade solceller Svar på Under bandgap Ljus

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

Underlåtenhet Analys av batterier Använda Synchrotron-baserade Hard röntgen 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

Mätning av röntgen Beam Coherence längs flera riktningar användning av 2-D Checkerboard fasgitter

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

Använda Synchrotron Radiation Microtomography att undersöka Multi skala Tredimensionella Microelectronic paket

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

Tryckning Tillverkning av Bulk hetero solceller och<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

Studera dynamiska processer av Nano stora objekt i Liquid använder Scanning transmissionselektronmikroskopi

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

Experimentell genomförandet av en ny komposit Fabrication metod: utsätta Bare fibrer på sammansatta ytan av metoden mjuka lager

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 ...