CAREER: Multi-isotopologue absorption spectroscopy for hydrogen-carrier and nitrogen-based low-carbon energy

职业:氢载体和氮基低碳能源的多同位素吸收光谱

基本信息

  • 批准号:
    2339502
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 57.92万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-01-01 至 2028-12-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

The next generation of fuels for the transportation and power generation sectors is expected to involve a mix of both traditional (carbon-based) and renewable or alternative fuels (hydrogen- or nitrogen-based). However, the reaction pathways of such future fuels and mixtures thereof are not well understood, preventing their deployment into the low-carbon, more fuel-efficient new generation of engines (including turbine, automotive, jet, and rocket engines). In this work, a novel laser diagnostic method, designed to measure multiple isotopes in isotopically-labeled fuel mixtures, is used to investigate fundamental chemical reaction pathways, including the formation of pollutants. Successful completion of the project will provide (1) a broadly applicable and novel measurement technique that will advance basic combustion and atmospheric science research and (2) new insights into the fundamental chemistry of ignition and pollutant formation in these new class of renewable fuel mixtures. Integrated education activities will impact students at multiple levels (middle school through graduate school) through open-source software development, integration of laboratory activities into The University of San Antonio’s growing aerospace curriculum, and targeted project-based outreach activities with middle school and high school students in San Antonio and the Lower Rio Grande Valley in Texas. The research objective of this project is to develop and explore applications of multi-isotopologue laser absorption spectroscopy for measurement, investigation, and modeling of kinetic pathways in high temperature reacting flows of next-generation and low-carbon hydrogen-carrier and nitrogen-based fuels. The technique is aimed at filling a gap in experimental high-temperature kinetics studies, which often cannot unambiguously track specific atoms in their reaction pathways from reactants to intermediates to products. The study will enable new classes of combustion studies for blended carbon / low-carbon fuel mixtures. It is hypothesized that the technique will provide new insights into reaction pathways for mixtures of varying fuel types (carbon-based, nitrogen-based, oxygenated) and functional groups. Paired with novel isotopically-labeled kinetic models and uncertainty-weighted sensitivity analyses, the framework provides a new means for reducing the required number and costs of experiments using isotopically-labeled chemicals. The novel high-pressure and high-temperature spectroscopy data and models generated in this project will also accelerate research in hypersonic flows, rocket propulsion, and remote sensing in planetary exploration, providing for broad applications of the research beyond combustion science for San Antonio and South Texas.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
预计运输和发电部门的下一代燃料将涉及传统(基于碳)和可再生或替代燃料(基于氢或氮的)的混合。但是,这种未来燃料及其混合物的反应途径尚不清楚,从而阻止了它们部署到低碳,更省油的新一代发动机(包括涡轮机,汽车,喷气机和火箭发动机)。在这项工作中,一种新型的激光诊断方法,旨在测量同位素标记的燃料混合物中的多个同位素,用于研究基本的化学反应途径,包括形成污染物。该项目的成功完成将提供(1)一种广泛的新型测量技术,该技术将推进基本的组合和大气科学研究,以及(2)在这些新的可再生燃料混合物中,对点火和污染物形成的基本化学反应的新见解。综合教育活动将通过开源软件开发,将实验室活动集成到圣安东尼奥大学不断增长的航空航天课程中,并针对基于项目的外展活动,与圣安东尼奥的中学和高中学生以及德克萨斯州的下级里奥·格兰德河谷一起,将实验室活动集成到圣安东尼奥大学,将实验室活动集成到圣安东尼奥大学的多个级别(通过研究生院)中。该项目的研究目的是开发和探索多同位素激光抽象光谱的应用,用于测量,研究和建模,在下一代和低碳水化氢和基于氮气的高温反应流中动力学途径的应用。该技术旨在填补实验高温动力学研究中的空白,该研究通常无法明确跟踪其从反应物到中间体到产品的反应途径中的特定原子。这项研究将为混合碳 /低碳燃料混合物提供新的组合研究。假设该技术将为混合不同燃料类型(基于碳的,基于氮,氧化)和官能团混合的反应途径提供新的见解。该框架与新型的同位素标记的动力学模型和不确定性加权分析分析相结合,为使用同位素标记的化学物质的实验数量和成本提供了一种新的手段。该项目中产生的新型高压和高温光谱数据和模型还将加速在行星探索方面的高音流,火箭推进和遥不可及的研究,从而为San Antonio和South Texas的混合科学提供了广泛的研究应用,这些奖项通过评估了NSF的众多奖励,从而提供了整个混合科学。 标准。

项目成果

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