Los investigadores de Sandia National Laboratories han identificado mecanismos químicos clave por primera vez que se suman al conocimiento fundamental de la química de la combustión y podrían conducir a una combustión más limpia en los motores.

El investigador de Sandia, Nils Hansen, y el ex candidato postdoctoral Kai Moshammer se centraron en la oxidación a baja temperatura de hidrocarburos y otros combustibles alternativos. Identificaron intermedios químicos clave, que son relevantes para las reacciones de oxidación a temperaturas en el rango de 400 a 600 K (260 a 620 grados Fahrenheit). La naturaleza química de los intermedios y sus concentraciones proporciona nuevos detalles sobre los procesos químicos involucrados en la autoignición.

La autoignición es un proceso químico en el que una mezcla de aire y combustible se enciende espontáneamente. Se explica comúnmente por la teoría a través de un conjunto de reacciones de ramificación de cadena autosostenidas y aceleradas. Es muy importante para comprender la detonación en los motores de encendido por chispa.

Hansen y Moshammer formaban parte de un equipo de investigadores de varias instituciones cuyo trabajo se publicó en un artículo titulado, "Desentrañar la estructura y los mecanismos químicos de los intermedios altamente oxigenados en la oxidación de compuestos orgánicos". Los investigadores se centraron en profundizar los conocimientos sobre la química de oxidación a baja temperatura de los hidrocarburos y otros combustibles alternativos.

"Hoy podemos hacer funcionar un motor de combustión interna sin conocer los detalles de la química, "Dijo Hansen." Sin embargo, Este nuevo conocimiento proporciona nuevos conocimientos que deberían ser objeto de nuevos modelos de combustión. Eventualmente debería permitir el desarrollo de estrategias de combustión más limpias y eficientes en el futuro ".

Hansen y Moshammer utilizaron espectrometría de masas de haz molecular para descubrir los intermedios químicos. El haz molecular congela la química y se puede comparar con la autopista alemana.

"En el haz molecular, todas las moléculas son succionadas al vacío para volar en la misma dirección y a la misma velocidad, para que no haya colisiones como en la autobahn, ", dijo." Cuando aislamos las moléculas de esta manera, nos permite separarlos por su peso y, por lo tanto, por su composición molecular ".

Extraer información detallada de la naturaleza

Extraer información molecular detallada directamente de la ignición de mezclas es una tarea difícil y desafiante, especialmente debido a los grandes cambios de temperatura y las bajas concentraciones moleculares de intermedios clave.

"Incluso después de algunas décadas de investigación sobre este tema, estas moléculas altamente oxigenadas nunca se habían visto antes, "Explica Hansen.

Yiguang Ju, profesor y director de Energía Sostenible en la Universidad de Princeton, Dijo que este trabajo revela claramente la formación de intermedios oxigenados a través de los procesos de adición de múltiples moléculas de oxígeno. "Los intermedios oxigenados son fundamentales para afectar la ignición a baja temperatura, llama fría, llama leve y formación de detonaciones en motores de combustión interna, "Ju dijo.

Reactor de agitación a chorro diseñado para realizar investigaciones

Hansen enfatizó que estos descubrimientos fueron hechos por experimentos que se enfocan en la química mientras minimizan los efectos de la mezcla, turbulencia y grandes gradientes de temperatura y concentración.

Para realizar el trabajo, los investigadores de Sandia diseñaron un dispositivo llamado reactor agitado por chorro, que se describe mejor como un reactor de cuarzo en el que se añaden continuamente mezclas de oxidante de combustible sin quemar a través de cuatro boquillas pequeñas para crear una mezcla homogénea que luego se enciende con calor externo. Con este enfoque, los investigadores evitan grandes cambios espaciales y temporales en las concentraciones de los intermedios clave y las temperaturas y el reactor se puede modelar fácilmente. Luego, los investigadores utilizaron muestreo por haz molecular y espectrometría de masas de alta resolución para identificar los componentes de gas del reactor.

"Nuestro interés persistente en los procesos de oxidación a baja temperatura llevó a esta investigación, ", Dijo Hansen." Si bien los primeros estudios se centraron en combustibles pequeños como el dimetiléter (DME, CH3OCH3), eventualmente nos mudamos a más grandes, combustibles más relevantes en la práctica, como el heptano, y 'accidentalmente' detectó una señal que no era explicable a través de los mecanismos químicos conocidos. Queríamos proporcionar objetivos de validación para el desarrollo de modelos en forma de identificación y concentración molecular ".

Investigaciones anteriores identificaron reacciones e intermedios que ayudaron a predecir las características de ignición de los combustibles individuales. El trabajo de Sandia ha demostrado que la comprensión de la comunidad científica de estos procesos no es completa y que se deben considerar reacciones e intermedios adicionales. Este trabajo ayudará a desarrollar modelos con mejores capacidades predictivas, y tiene implicaciones más allá de la combustión.

"Esta es una investigación de cinética química fundamental que también puede afectar la formación de aerosoles troposféricos relevantes para el clima, "Dijo Hansen.

Paul Wennberg, el profesor R. Stanton Avery de Química Atmosférica y Ciencias e Ingeniería Ambiental en Caltech, dijo que esta investigación también proporciona una gran cantidad de datos nuevos y conocimientos sobre los procesos de oxidación involucrados en la oxidación de moléculas orgánicas en la atmósfera. Por ejemplo, el conocimiento de cuántos oxígenos se agregan después de la formación del primer radical, cómo las estructuras de los sustratos orgánicos alteran las vías, y si esta química puede competir con los procesos bimoleculares es esencial para predecir si esta química es importante a temperaturas mucho más frías relevantes para la atmósfera.

"El impacto final de estos descubrimientos en la autooxidación en nuestra comprensión de la contaminación del aire no está claro, ", Dijo Wennberg." Sabemos que respirar partículas es una amenaza para la salud pública, pero en este momento simplemente se desconoce qué tan tóxicas son las partículas creadas a través de la autooxidación y cuánto tiempo persisten estos compuestos en la atmósfera ".

El uso de espectrometría de masas para detectar estos intermediarios es solo el primer paso en esta investigación.

"En el futuro, necesitaremos desarrollar nuevas técnicas y capacidades experimentales que permitan una asignación inequívoca de la estructura molecular, "Hansen dijo." Vamos a probar técnicas de espectrometría de masas bidimensionales y espectroscopía de microondas como herramientas analíticas para encontrar las estructuras químicas exactas ".