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(碳基)和可再生或替代燃料(氢基或氮基)的混合。然而,这些未来燃料及其混合物的反应途径尚不清楚,这阻碍了它们在低碳、更省油的新一代发动机(包括涡轮、汽车、喷气和火箭发动机)中的应用。在这项工作中,设计了一种新的激光诊断方法,用于测量同位素标记燃料混合物中的多种同位素,用于研究基本的化学反应途径,包括污染物的形成。该项目的成功完成将提供(1)一种广泛适用的新型测量技术,将推进基础燃烧和大气科学研究;(2)对这些新型可再生燃料混合物中点火和污染物形成的基础化学有了新的认识。综合教育活动将通过开源软件开发,将实验室活动整合到圣安东尼奥大学不断增长的航空航天课程中,并针对圣安东尼奥和德克萨斯州下里约热内卢格兰德山谷的初中和高中学生开展基于项目的推广活动,影响多个层次(初中到研究生院)的学生。本项目的研究目标是开发和探索多同位素激光吸收光谱技术在下一代低碳载氢燃料和氮基燃料高温反应流动力学路径的测量、研究和建模中的应用。该技术旨在填补实验高温动力学研究的空白,这些研究通常不能明确地跟踪特定原子从反应物到中间体到产物的反应途径。这项研究将使混合碳/低碳燃料混合物的新型燃烧研究成为可能。据推测,该技术将为不同燃料类型(碳基、氮基、氧基)和官能团的混合物的反应途径提供新的见解。该框架与新型同位素标记动力学模型和不确定性加权敏感性分析相结合,为减少使用同位素标记化学物质的实验次数和成本提供了一种新的手段。该项目产生的新型高压和高温光谱数据和模型还将加速高超声速流、火箭推进和行星探测中的遥感研究,为圣安东尼奥和南德克萨斯的燃烧科学以外的研究提供广泛的应用。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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知道了