Stochastic and network analysis of polycyclic aromatic growth in a coflow diffusion flame

文献情報

出版日 2021-02-01
DOI 10.1039/D0CP03529G
インパクトファクター 3.676
著者

Jacob C. Saldinger, Paolo Elvati


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要旨

An important step in predicting the growth of soot nanoparticles is understanding how gas phase variations affect the formation of their aromatic precursors. Once formed, these aromatic structures begin to assemble into nanoparticles and, regardless of the clustering process, the molecular properties of the aromatic precursors play an important role. Leveraging existing experimental data collected from a coflow Jet A-1 surrogate diffusion flame, in this paper we report on a detailed study of the spatial evolution of molecular structures of polycyclic aromatic compounds (PACs) and their corresponding formation pathways. To this end, we employed the SNapS2 kinetic Monte Carlo software to simulate the chemical evolution of PACs along multiple streamlines. The results show that growth only occurs along streamlines that traverse regions of high acetylene concentrations in the center of the flame. The PACs predicted in various conditions show diverse chemical properties, including aliphatic chains, five-membered, and heteroaromatic rings. PACs in streamlines close to the flame wings begin growing immediately due to the high temperature and large amounts of radical species, while PACs originating along inner streamlines do not appreciably grow until they pass through an area characterized by high radical concentrations. Using graph theory and network analysis, we investigated the complex reaction network generated by SNapS2 and determined that the growth pathways of many PACs center around a few stable structures that also promote oxygen addition reactions due to their morphology and long lifetimes. These pathways play a more significant role along streamlines near the centerline, compared to the flame wings, which show more variety due to the highly reactive environment encountered during early growth. The results of this study provide insights on the reaction pathways that determine the properties of PACs at different flame locations as well as information on the chemical characteristics of the formed PACs, with emphasis on oxygenated structures.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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