Sandia identificerer usædvanlige polycykliske aromatiske carbonhydrider ved hjælp af tandem massespektrometri

I de fleste situationer, det er ikke den bedste måde at løse et problem på. Imidlertid, nogle gange er det modsatte sandt, hvis du forsøger at karakterisere komplekse kemiske forbindelser. Det er, hvad Sandia National Laboratories forskere Nils Hansen og Scott Skeen gjorde for endegyldigt at identificere forureningsfremkaldende sodforstadier i en flamme.

Forskerne opdagede polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er) med alifatiske sidekæder, der er blevet antaget at tjene som "frø" til sodpartikler i motoremissioner.

"Disse molekylers rolle som sodforstadier er blevet antaget, og der er indirekte eksperimentelle beviser for deres tilstedeværelse på overfladen af ​​sod ekstraheret fra flammer, "sagde Skeen." Indtil nu, imidlertid, ingen havde endeligt eksperimentelt bevis på deres eksistens som stabile komponenter i flammen. "

De nyligt anerkendte forbindelser kan bruges til at skabe mere detaljerede modeller for forbrænding, der, på tur, kan hjælpe med design af rengøringsmiddel, mere effektive motorer, der udsender mindre sod og færre skadelige kulbrinter i atmosfæren.

Arbejder med tidligere Sandia postdoktorforsker Brian Adamson og Lawrence Berkeley National Laboratory's Musa Ahmed, Hansen og Skeen offentliggjorde opdagelsen i Journal of Physical Chemistry A . Finansiering til forskningen kom fra Sandia's Laboratory Directed Research and Development -program, mens Ahmed støttes af Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences.

Teamet brugte en analytisk teknik kaldet tandem massespektrometri-ved hjælp af et instrument leveret af Lawrence Berkeley Lab og tilpasset af Adamson-til at detektere gasfase polycykliske aromatiske kulbrinter med alifatiske sidekæder i flammer, der producerer sod, noget aldrig gjort før.

Enheden fjerner en elektron for at oplade, eller ionisere, store molekyler udtaget fra flammen, måler molekylernes masser og identificerer dem derefter yderligere ved at karakterisere, hvordan de ioniserede molekyler revner.

Seneste opdagelse bygger på tidligere Sandia -forskning

Nyligt arbejde af Sandia -videnskabsmanden Hope Michelsen, teknolog Paul Schrader og tidligere postdoktorforsker Olof Johansson brød jorden ved at identificere kemiske kædereaktionsprocesser, hvor kulbrinter kunne danne sod. Dette arbejde øgede udfordringen med at opdage og karakterisere de forbindelser, der deltager i disse processer.

Et debatområde er, om de kemiske biprodukter i sod er polycykliske aromatiske kulbrinter, udelukkende lavet af ringformede grupper af atomer, eller indeholder ekstra, ikke-cykliske strukturer kaldet alkyl, eller alifatisk, grupper. Disse kulbrintkæder kan gøre forbindelserne mellem polycykliske aromatiske kulbrinter mere stabile ved de høje forbrændingstemperaturer, større end 3, 600 grader Fahrenheit.

"Uden tandemkomponenten i dette nye massespektrometer, hvert molekyls masse opnås, men der afsløres ingen information om dens struktur. Du ser noget ved masse 78, ved masse 128, og så videre, men du ved ikke, hvilke molekyler der er repræsenteret. Du bruger bare din kemiske intuition, "Hansen sagde." Tænk på et massespektrometer som et instrument, der sorterer en beholder fuld af blandede nødder baseret på vægten af ​​hver enkelt møtrik, men i sidste ende ved du stadig ikke, om du sorterede jordnødder, hasselnødder eller valnødder. "

Det tilpassede tandem-massespektrometer, som holdet brugte, gør det lettere at karakterisere strukturen af ​​store molekyler ved at bryde dem fra hinanden gennem højenergikollisioner i en kollisionsfremkaldt dissociationscelle.

"Normal massespektrometri kan fortælle dig, hvor mange atomer af hvert element der er til stede i et molekyle, men det vil ikke fortælle dig noget om, hvordan disse atomer hænger sammen, "Sagde Adamson." Tandem -massespektrometri med kollisionsinduceret dissociation isolerer molekyler af en enkelt masse og bryder dem derefter fra hinanden. Den måde, de bryder fra hinanden på, giver fingerpeg om forældremolekylets struktur. "

Teamet fandt direkte bevis for, at der findes alifatisk broede polycykliske aromatiske carbonhydrider og PAH'er med alkylkæder i de udtagne gasser i den soddannende flamme. Sådanne arter kan være tilstrækkeligt stabile ved de høje forbrændingstemperaturer til at fungere som nøglekomponenter i begyndende sodpartikeldannelse.

Teamet brugte også en særlig flammekonfiguration til at minimere forstyrrelser i flammekemien forårsaget af prøveudtagningsprocessen. Skeen sagde, at opsætningen involverede prøveudtagning og undersøgelse af store molekyler fra en omvendt stearinlignende flamme.

"I et lys, voksen bevæger sig op ad vægen og fordamper derefter inden den brænder i den omgivende luft. Flammen fremstår gul, fordi sodpartikler bliver meget varme, når de bevæger sig gennem flammen, "Skeen sagde." I denne konfiguration, det er umuligt at prøve sodpartikler eller molekyler, der fører til soddannelse uden at forstyrre flammen, fordi en sonde skal indsættes gennem flammearket.

"For at overvinde dette problem, vi genererede en flamme, hvor luften er i midten af ​​flammen med brændstoffet på ydersiden, "sagde han." På denne måde, vi kan undersøge gasser af interesse udefra i denne 'omvendte' flamme. Det er måske første gang, at en sådan flamme er blevet knyttet til et tandem -massespektrometer. "

Sod skal filtreres for renere motorer

Søgningen efter sodforstadier er motiveret af behovet for renere motorer, der stadig kører effektivt. Under visse kørselsforhold, dieselemissioner overstiger regeringens regler. Dette har ført til brugen af ​​partikelfiltre, der effektivt opsamler sodpartikler fra dieseludstødning, men de gør køretøjerne betydeligt dyrere og mindre effektive. Motorer, der producerer mindre sod, ville have brug for mindre partikelfiltre, reducere omkostninger og øge brændstoføkonomien.

Motorfabrikanter bruger typisk computersimuleringer til at forbedre motordesign. De modellerer brændstofindsprøjtningen, forbrændings- og forureningsdannelsesprocesser. Skeen sagde, at bedre forståelse af, hvordan sodforbindelser produceres - specifikt endelig identifikation af polycykliske aromatiske carbonhydrider med alkylkæder fastgjort - skulle føre til modeller, der mere præcist beskriver virkningerne af motordesignparametre på emissioner og effektivitet.

"Hvis vi kan forstå kemien, vi kan udvikle en model, der gør det muligt for motordesignere at optimere brændstofindsprøjtninger, luftstrømme og formen på indre motoroverflader, blandt andet, der holder disse forbindelser ude af atmosfæren, "Sagde Skeen.

Fremtidige skridt til at udvikle nye modeller til soddannelse

Denne opdagelse af alkylsubstituerede og alifatisk broede polycykliske aromatiske carbonhydrider i sodende flammer er kun udgangspunktet for anvendelse af tandemmassespektrometri til at dechiffrere den komplekse kemi af forurenende emissioner, sagde teamet.

Ved hjælp af denne teknik, tusinder af forskellige typer forbindelser kan potentielt identificeres. Selv for de mest basale polycykliske aromatiske kulbrinter, der er omkring hundrede forskellige måder atomer kan komme sammen. At se alle de forskellige arrangementer giver en formidabel udfordring. Ahmed vil fortsætte sit arbejde med forskere fra Sandia og planlægger at indføre infrarød spektroskopi for mindre tvetydig identifikation af alkylsubstituerede og alifatisk broede PAH'er i sod.

Sandia -forskerne håber at samarbejde med dataforskere for at udvikle mere effektive, realistiske modeller af motorsoddannelse, i sidste ende fører til design til renere, mere effektive motorer.