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Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Edition 2012


SynchroKin


Mise en place d'une technique expérimentale pour la mesure de données cinétiques et mécanistiques utilisant la radiation synchrotron SOLEIL

SynchroKin
Couplage d'une technique expérimentale pour la mesure de données cinétiques et mécanistiques au synchrotron SOLEIL

Mieux comprendre la chimie en phase gaz
Les réactions en phase gazeuse représentent une part importante des processus de combustion et des processus atmosphériques terrestres et extraterrestres. Leurs modélisations nécessitent une bonne compréhension des mécanismes et des paramètres cinétiques impliqués dans les très nombreuses réactions mises en jeu au sein de ces systèmes.
Dans l’atmosphère, les mécanismes d’oxydation des composées organique volatiles (COV) influences la qualité de l’air et a donc un impact sur la santé. A l’échelle globale, l’oxydation de ces COV influence la capacité oxydante des atmosphères et a un rôle sur le climat. En effet, d’un côté cette oxydation influence la durée de vie des gaz à effet de serre (comme le méthane), et de l’autre coté elle joue un rôle dans la formation de l’ozone troposphérique et la formation d’aérosol organique secondaire. En combustion, le mécanisme l’oxydation des carburants influence l’efficacité du processus, mais aussi la formation de polluants, et est ainsi lié à la chimie atmosphérique. Tous ces processus dépendent souvent fortement de la température et de la pression. Une compréhension détaillée des constantes de vitesse et des rendements de différentes voies réactionnelles est donc essentiel pour comprendre et modéliser ces processus, et ainsi prédire leur comportement dans d’autre applications ou conditions.
L’objectif du projet SynchroKin est donc la mise en œuvre d’une nouvelle technique expérimentale, unique au monde, qui permettra d’étudier des systèmes réactionnels dans une large gamme de température et pression dans des détails inconnus jusqu’à maintenant. A la fin de ce projet une technique expérimentale sera disponible pour la communauté nationale et internationale qui va contribuer pendant des longes années à améliorer la compréhension des processus fondamental en chimie atmosphérique et en combustion.

Couplage des techniques résolues dans le temps au rayonnement synchrotron
La chimie en phase gazeuse est initiée par des espèces intermédiaires très réactives : les radicaux comme OH ou HO2. Un approche classique pour étudier leur réactivité est de les générer en présence d’un partenaire réactionnel et de suivre ensuite l’évolution du radical et / ou des produit d’une manière résolue dans le temps. Comme la complexité du système réactionnel augmente, la détection simultanée des réactifs et des produits permet seule une compréhension globale et détaillée des mécanismes réactionnels. La spectrométrie de masse (MS) apparait alors comme la technique la plus appropriée pour étudier ces mécanismes puisque toutes les espèces peuvent être détectées après ionisation. Cependant, les informations obtenues dépendent fortement de la source d’ionisation utilisée et les principales sources d’ionisation donnent lieu à une fragmentation trop importante, limitant l’interprétation des résultats en particulier l’identification des isomères produits.
Dans ce contexte, nous proposons de coupler un réacteur en phase gazeuse avec un rayonnement synchrotron comme source d’ionisation d’un MS. Ce couplage s’est révélé extrêmement utile lors des expériences à l’Advanced Light Source de Berkeley. Le nouvel instrument qui sera construit à SOLEIL permettra d’obtenir de nouvelles informations encore plus précises. Les mesures cinétiques avec ionisation par le rayonnement synchrotron permettront de produire une cartographie tridimensionnelle des réactions impliquées (temps, masse et énergie). Le nouvel appareillage comportera de plus une analyse en coïncidence photoélectron/photoion (PEPICO) qui permettra une résolution inégalée actuellement dans l’étude des isomères et de la distribution énergétique des produits. L'utilisation de deux types différents de réacteurs, à photolyse et à injecteur avec décharge microonde, associé à la possibilité de chauffage et à la détection PEPICO, rendra ce système unique au monde très versatile et extrêmement puissant.

Résultats

Le projet a débuté en Janvier 2013. Deux réunions ont eu lieu au synchrotron Soleil afin de discuter et de définir les détails du design et de l’implémentation des réacteurs dans la chambre à vide. Un post-doctorant a été recruté et il travaille sur les détails de l’acquisition des données, l’achat de divers éléments nécessaire à la réalisation de ce projet, à la réalisation de la sécurité laser etc.

Perspectives

Une nouvelle réunion aura lieu en Juillet à Lille afin de valider le design des deux réacteurs avant de démarrer la réalisation. Des premiers tests de l’implantation des réacteurs dans la chambre à vide ainsi que les premières expériences sont prévues pour la fin de l’année.

Productions scientifiques et brevets

Synchrotron-based double imaging photoelectron/photoion coincidence spectroscopy of radicals produced in a flow tube: OH and OD
G. A. Garcia, X. Tang, J.-F. Gil, L. Nahon, M. Ward, S. Batut, C. Fittschen, C.A. Taatjes, D. Osborn, J.-C. Loison
The Journal of Chemical Physics, 142 (16), 164201 (2015)

Threshold photoelectron spectroscopy of the imidogen radical
G. A. Garcia, B. Gans, X. Tang, M. Ward, S. Batut, L. Nahon, C. Fittschen, J.-C. Loison
Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 203, 25 (2015)

Assignment of high-lying bending mode levels in the threshold photoelectron spectrum of NH2: a comparison between pyrolysis and fluorine-atom abstraction radical sources
F. Holzmeier, M. Lang, I. Fischer, P. Hemberger, G. A. Garcia, X. Tang, J. C. Loison
Physical Chemistry Chemical Physics, 17 (29), 19507 (2015)

Partenaires

SANDIA Combustion Research Facility

ISM INSTITUT DES SCIENCES MOLECULAIRES

PC2A PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphere

SOLEIL Synchrotron SOLEIL

Aide de l'ANR 366 548 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 36 mois

Résumé de soumission

Les réactions en phase gazeuse jouent un rôle important dans de nombreux milieux tels que la combustion, l’atmosphère terrestre et les nuages interstellaires denses. La modélisation globale de ces milieux nécessite une bonne compréhension des mécanismes et des paramètres cinétiques impliqués dans les très nombreuses réactions mises en jeu. Par exemple l’oxydation des combustibles influence l’efficacité des processus de combustion ainsi que la formation des polluants. Dans l’atmosphère terrestre, l’oxydation des composés organiques volatils (VOC) influence la qualité de l’air et a un impact sur la santé humaine. Cette oxydation affecte aussi le climat à l’échelle de la terre en déterminant la durée de vie de gaz à effet de serre tel que le méthane mais aussi à travers la chimie de l’ozone troposphérique et la formation d’aérosols organiques secondaires (SOA). Pour les nuages interstellaires denses une bonne description de la chimie en phase gazeuse est indispensable pour modéliser l’évolution de ces nuages.
Dans la très grande majorité des cas, les réactions en phase gazeuse sont contrôlées par les réactions d’espèces à courte durée de vie : les radicaux tel que OH ou HO2. D’une manière classique ces réactions sont étudiées en produisant les radicaux en présence d’un co-réactif, et en mesurant la décroissance temporelle de leurs concentrations et/ou la formation des produits des réactions. Malgré les progrès effectués ces dernières années en cinétique chimique en phase gazeuse, de nombreux systèmes clés sont encore loin d’être bien compris. Pour étudier ces systèmes complexes, la spectrométrie de masse (MS) apparait comme une technique particulièrement appropriée car elle permet, en théorie, de détecter toutes les espèces présentes simultanément. Cependant les informations obtenues dépendent fortement des techniques d’ionisation employées, les plus communément utilisées induisant de nombreuses fragmentations qui rendent difficile l’interprétation des spectres et empêchent l’identification des isomères.
Dans ce projet, nous proposons d’utiliser un rayonnement synchrotron comme source d’ionisation d’un spectromètre de masse à temps de vol (TOF-MS), c’est-à-dire de combiner les capacités de détection du TOF-MS avec un rayonnement VUV variable en énergie (6-12 eV) et à haute résolution. Nous nous proposons de coupler ce système de détection à un réacteur en phase gazeuse versatile pouvant être couplé soit à un laser soit à un générateur micro-onde pour la génération de radicaux par photolyse. Il sera aussi possible de contrôler la température permettant de reproduire les conditions de l’atmosphère terrestre ou de la combustion. Le dispositif expérimental sera capable de réaliser une cartographie tridimensionnelle des réactions impliquées (temps, masse et énergie). Le projet est proposé en collaboration avec une équipe américaine, la seule à avoir mis en œuvre une expérience semblable, opérationnelle depuis quelques années, au synchrotron de Berkeley. Par rapport au dispositif américain, l’ajout des coïncidences électron/ion dans le TOFMS permettra une bien meilleure résolution entre les isomères ce qui, associé à la versatilité du réacteur chimique, constituera une réelle avancée technique et fera du dispositif proposé un moyen unique et particulièrement puissant pour l’étude des réactions chimiques.
Ce projet permettra donc la mise en œuvre d’une nouvelle technique expérimentale, unique au monde, qui permettra d’étudier des systèmes réactionnels dans une large gamme de température et de pression avec une précision inégalée. A la fin du projet le dispositif sera disponible pour la communauté nationale et internationale et continuera durant de nombreuses années à l’amélioration de la connaissance des processus fondamentaux en combustion, chimie atmosphérique et astrochimie.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8) 2012

Référence projet : ANR-12-BS08-0020

Coordinateur du projet :
Madame Christa Fittschen (PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphere)
christa.fittschen@nulluniv-lille1.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.