PEPICO in der Flammenforschung I und II

Abstract

Detailwissen über die wichtigsten Reaktionen ist für das Verständnis von Verbrennungsprozessen und insbesondere zur Kontrolle von Zündprozessen oder der Vermeidung von Schadstoffen unerlässlich. Diese Informationen werden in chemischkinetischen Reaktionsmechanismen gesammelt. Zur Entwicklung und Validierung dieser Reaktionsmechanismen müssen als Intermediate auftretende reaktive Schlüsselspezies experimentell nachgewiesen werden. Der Nachweis sollte so spezifisch wie möglich und quantitativ erfolgen. Molekularstrahl-Massenspektrometrie in Kombination mit Photoionisation durch VUV-Synchrotronstrahlung ermöglicht eine besonders schnelle, sensitive und vollständige Analyse der Gasphasenprozesse ohne Vorkenntnisse über die Gaszusammensetzung. Daher wurde in der ersten Phase dieses Projekts ein Flammenexperiment und in der zweiten Phase zusätzlich Strömungsreaktoren an ein Imaging Photoelectron Photoion Coincidence (PEPCIO) Spektrometer an der Swiss Light Source gekoppelt. Die simultane Aufnahme von Photoionisationseffizienzkurven und Photoelektronenspektren erlaubt eine Identifizierung der Flammenspezies anhand ihrer Ionisationseigenschaften, während die Auswertung der Signalstärke in den Photoionisations-Massenspektren unter zur Hilfenahme von Photoionisationsquerschnitten oder Kalibrationsmessungen eine Quantifizierung erlaubt. Dieses DFG-Projekt hat eine Vorreiterrolle bei der Etablierung von PEPICO als neue Detektionsmethode für kinetische Experimente übernommen und diese projektbegleitend stetig verbessert. Das wichtigste Ergebnis des Projekts ist somit die Etablierung der experimentellen Einrichtungen, Datenerfassungs- und Auswertungsroutinen, die bereits in weiteren (DFG-)Projekten erfolgreich eingesetzt wurden. Die Stärken der Methode wurden in der ersten Projektphase in systematischen Messungen der ersten Verzweigungsschritte beim Zerfall einfacher Brennstoffe und der Bildung aromatischer Moleküle in Modellflammen ausgenutzt. In der zweiten Projektphase wurden einerseits weiterhin Untersuchungen zu den ersten Oxidationsreaktionen des Brennstoffs und der Aktivierung der Brennstoffumsetzung durchgeführt. Anderseits stand der Bau und die Inbetriebnahme von Strömungsreaktoren und Messungen zur Aufklärung der Brennstoff-Oxidation in diesen Reaktoren im Fokus. Als Brennstoffe wurden verschiedene einfache Kohlenwasserstoffe (nButan, i-Butan, i-Buten, 1-Buten, Ethan, Ethen, Acetylen, Tetramethylethylen), Oxymethylenether und aromatische Kohlenwasserstoffe (Xylol, Anisol) eingesetzt. Als weiteres wichtiges Ergebnis dieses Projekts stehen damit Validierungsdatensätze für Reaktionsmechanismen dieser Brennstoffe in Flammen und Strömungsreaktoren zur Verfügung, die verschiedene Isomere quantitativ ausweisen.