Pyrene Pyrolysis

This work focuses on the description of the Inception stage in soot formation by implementing theoretical and experimental findings from the literature into the CRECK Soot Model developed at Politecnico di Milano. Carbonaceous nanoparticles (CNPs) are produced by the incomplete combustion of fuels and organic matter. On one hand, soot emitted from combustion engines represents a harmful emission that impacts human health and the environment. On the other hand, flame-synthesized CNPs with sizes of few nanometers, present a compelling area for materials research due to their surprising electronic, conductive and optical properties. For these reasons, they have become a focus of scientific study, with theoretical and experimental research aiming to better understand their formation mechanisms. In particular, the nanostructure and the size of CNPs, which are vital to investigate novel material applications, are determined during inception. Different pathways have been proposed to describe the mechanism behind the formation of the smallest species in condensed phase, however, the route is not fully understood and remains an active area of research. Specifically, it is the least understood pathway in CNP formation. The detailed kinetic model is updated with the description of physical reversible equilibrium of pyrene, the reference compound of this investigation. The parameters adopted for the forward and backward rates of the physical clustering of polyaromatic hydrocarbon compounds (PAHs) is in line with published works. Additionally, a chemical pathway of pyrene decomposition is included. It is based on recent studies on the reactivity of PAHs with an even number of carbon atoms. The model results reproduce with good agreement pyrene pyrolysis data at low (900- 1100 K) and high temperature (>1400 K). The challenges encountered in the validation with the ethylene-flames are explained, together with tests and a complete kinetic analysis.

Questo lavoro si concentra sulla descrizione dell’Inception nella formazione di nanoparticelle carboniose, implementando evidenze teoriche e sperimentali presenti in recenti pubblicazioni. Il modello proposto si basa sul CRECK Soot Model, sviluppato al Politecnico di Milano. Le nanoparticelle carboniose sono prodotti ottenuti dalla combustione incompleta di combustibili e materiale organico. Da un lato, costituiscono emissioni di motori e rappresentano una minaccia per la salute umana e per l’ambiente. Dall’altro, le nanoparticelle di carbonio con dimensioni di pochi nanometri, appositamente sintetizzate in fiamma, costituiscono un’affascinante area di ricerca nell’ambito di materiali innovativi, grazie alle loro sorprendenti proprietà elettroniche, conduttive e ottiche. Per queste ragioni, sono diventate un tema centrale di studio scientifico, con ricerche teoriche e sperimentali mirate a comprendere meglio i meccanismi dietro alla loro formazione. In particolare, la nanostruttura e la dimensione delle particelle, cruciali per le proprietà e quindi per lo sviluppo di nuovi materiali, sono fortemente controllate dalla fase di inception. Negli anni, diversi percorsi sono stati proposti per descrivere il meccanismo dietro alla formazione delle prime specie in fase condensata. Tuttavia, al giorno d’oggi, ciò non è completamente compreso e rimane un’area attiva di ricerca. Il modello cinetico dettagliato è aggiornato con la descrizione dell’equilibrio fisico reversibile del pirene, il composto di riferimento di questa indagine. I parametri adottati per le velocità di dimerizzazione diretta e inversa dei composti policiclici aromatici (PAH) sono in linea con i lavori pubblicati in letteratura. Inoltre, è incluso un percorso chimico di decomposizione del pirene, basato su studi recenti sulla reattività dei PAH con un numero pari di atomi di carbonio. I risultati del modello riproducono con buona concordanza i dati di pirolisi del pirene a bassa (900-1100 K) e alta temperatura (>1400 K). Sono integrate nella discussione le sfide incontrate durante la validazione con le fiamme di etilene, insieme ai test cinetici e ad un’analisi completa.