Dans la plupart des situations, casser les choses n'est pas la meilleure façon de résoudre un problème. Cependant, parfois le contraire est vrai si vous essayez de caractériser des composés chimiques complexes. C'est ce que les scientifiques du Sandia National Laboratories, Nils Hansen et Scott Skeen, ont fait pour identifier définitivement les précurseurs de suie responsables de la pollution dans une flamme.

Les chercheurs ont découvert des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) avec des chaînes latérales aliphatiques, qui ont été supposées servir de "graines" pour les particules de suie dans les émissions des moteurs.

"Le rôle de ces molécules en tant que précurseurs de suie a été émis, et il existe des preuves expérimentales indirectes de leur présence à la surface de suies extraites de flammes, " dit Skeen. " Jusqu'à maintenant, cependant, personne n'avait de preuve expérimentale définitive de leur existence en tant que composants stables dans la flamme."

Les composés nouvellement reconnus peuvent être utilisés pour créer des modèles de combustion plus détaillés qui, à son tour, peut aider à la conception de nettoyeur, des moteurs plus efficaces qui émettent moins de suie et moins d'hydrocarbures nocifs dans l'atmosphère.

En collaboration avec l'ancien chercheur postdoctoral de Sandia Brian Adamson et Musa Ahmed du Lawrence Berkeley National Laboratory, Hansen et Skeen ont publié la découverte dans le Journal de chimie physique A . Le financement de la recherche provient du programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia, tandis qu'Ahmed est soutenu par le Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du ministère de l'Énergie.

L'équipe a utilisé une technique analytique appelée spectrométrie de masse en tandem - à l'aide d'un instrument fourni par Lawrence Berkeley Lab et personnalisé par Adamson - pour détecter les hydrocarbures aromatiques polycycliques en phase gazeuse avec des chaînes latérales aliphatiques dans les flammes qui produisent de la suie, quelque chose de jamais fait auparavant.

L'appareil enlève un électron pour se charger, ou ioniser, grosses molécules prélevées dans la flamme, mesure les masses des molécules puis les identifie davantage en caractérisant la façon dont les molécules ionisées se séparent.

La dernière découverte s'appuie sur les recherches antérieures de Sandia

Travaux récents du scientifique de Sandia Hope Michelsen, Le technologue Paul Schrader et l'ancien chercheur postdoctoral Olof Johansson ont innové en identifiant les processus chimiques de réaction en chaîne où les hydrocarbures pourraient former de la suie. Ce travail a accru le défi de détecter et de caractériser les composés qui participent à ces processus.

Un sujet de débat est de savoir si les sous-produits chimiques de la suie sont des hydrocarbures aromatiques polycycliques, constitué uniquement de groupes d'atomes en forme d'anneau, ou contenir en plus, des structures non cycliques appelées alkyle, ou aliphatique, groupes. Ces chaînes hydrocarbonées peuvent rendre les liaisons entre les hydrocarbures aromatiques polycycliques plus stables aux températures élevées de combustion, supérieur à 3, 600 degrés Fahrenheit.

"Sans le composant tandem de ce nouveau spectromètre de masse, la masse de chaque molécule est obtenue mais aucune information sur sa structure n'est révélée. Tu vois quelque chose à la messe 78, à la masse 128, et ainsi de suite, mais vous ne savez pas quelles molécules sont représentées. Vous utilisez juste votre intuition chimique, " a déclaré Hansen. " Pensez à un spectromètre de masse comme un instrument qui trie un conteneur rempli de noix mélangées en fonction du poids de chaque noix individuelle, mais à la fin tu ne sais toujours pas si tu as trié des cacahuètes, noisettes ou noix."

Le spectromètre de masse en tandem personnalisé que l'équipe a utilisé facilite la caractérisation de la structure de grosses molécules en les séparant par des collisions à haute énergie dans une cellule de dissociation induite par collision.

"La spectrométrie de masse normale peut vous dire combien d'atomes de chaque élément sont présents dans une molécule, mais cela ne vous dira rien sur la façon dont ces atomes sont reliés entre eux, " a déclaré Adamson. " La spectrométrie de masse en tandem avec dissociation induite par collision isole les molécules d'une seule masse et les sépare ensuite. La façon dont ils se séparent fournit des indices sur la structure de la molécule mère. »

L'équipe a trouvé des preuves directes que des hydrocarbures aromatiques polycycliques à pont aliphatique et des HAP avec des chaînes alkyle existent dans les gaz échantillonnés de la flamme formatrice de suie. De telles espèces peuvent être suffisamment stables aux températures élevées de combustion pour servir de composants clés dans la formation de particules de suie naissante.

L'équipe a également utilisé une configuration de flamme spéciale pour minimiser les perturbations de la chimie de la flamme causées par le processus d'échantillonnage. Skeen a déclaré que la configuration impliquait l'échantillonnage et l'examen de grosses molécules à partir d'une flamme en forme de bougie inversée.

"Dans une bougie, la cire remonte la mèche puis se vaporise avant de brûler dans l'air ambiant. La flamme apparaît jaune parce que les particules de suie deviennent très chaudes lorsqu'elles se déplacent à travers la flamme, " dit Skeen. " Dans cette configuration, il est impossible de prélever des particules de suie ou des molécules qui conduisent à la formation de suie sans perturber la flamme car une sonde doit être insérée à travers la feuille de flamme.

« Pour surmonter ce problème, nous avons généré une flamme dans laquelle l'air est au centre de la flamme avec le combustible à l'extérieur, " dit-il. " Par ici, nous pouvons sonder les gaz d'intérêt de l'extérieur de cette flamme « inverse ». C'est peut-être la première fois qu'une telle flamme est attachée à un spectromètre de masse en tandem."

La suie doit être filtrée pour des moteurs plus propres

La recherche de précurseurs de suie est motivée par le besoin de moteurs plus propres qui fonctionnent toujours efficacement. Dans certaines conditions de conduite, les émissions de diesel dépassent les réglementations gouvernementales. Cela a conduit à l'utilisation de filtres à particules qui capturent efficacement les particules de suie des gaz d'échappement diesel, mais ils rendent les véhicules beaucoup plus chers et moins efficaces. Les moteurs qui produisent moins de suie auraient besoin de filtres à particules plus petits, réduire les coûts et augmenter l'économie de carburant.

Les fabricants de moteurs utilisent généralement des simulations informatiques pour améliorer la conception des moteurs. Ils modélisent l'injection de carburant, processus de combustion et de formation de polluants. Skeen a déclaré qu'une meilleure compréhension de la façon dont les composés de suie sont produits - en particulier l'identification définitive des hydrocarbures aromatiques polycycliques avec des chaînes alkyle attachées - devrait conduire à des modèles qui décrivent plus précisément les effets des paramètres de conception du moteur sur les émissions et l'efficacité.

"Si nous pouvons comprendre la chimie, nous pouvons développer un modèle qui permettra aux motoristes d'optimiser les injecteurs de carburant, les flux d'air et la forme des surfaces internes du moteur, entre autres, qui gardera ces composés hors de l'atmosphère, " a déclaré Skeen.

Étapes futures pour développer de nouveaux modèles de formation de suie

Cette découverte d'hydrocarbures aromatiques polycycliques à substitution alkyle et pontage aliphatique dans les flammes de suie n'est que le point de départ de l'utilisation de la spectrométrie de masse en tandem pour déchiffrer la chimie complexe des émissions polluantes, dit l'équipe.

En utilisant cette technique, des milliers de types différents de composés pourraient potentiellement être identifiés. Même pour les hydrocarbures aromatiques polycycliques les plus basiques, il y a une centaine de façons différentes dont les atomes peuvent se réunir. Voir tous les différents arrangements présente un formidable défi. Ahmed poursuivra son travail avec les scientifiques de Sandia et prévoit d'introduire la spectroscopie infrarouge pour une identification moins ambiguë des HAP à substitution alkyle et à pont aliphatique dans la suie.

Les scientifiques de Sandia espèrent collaborer avec des data scientists pour développer des modèles réalistes de formation de suie de moteur, menant finalement à des conceptions plus propres, moteurs plus efficaces.