journal article·2023-07-25Open access

Portraits of Soot Molecules Reveal Pathways to Large Aromatics, Five-/Seven-Membered Rings, and Inception through π-Radical Localization

Leonard-Alexander Lieske, Mario Commodo, Jacob W. Martin, Katharina Kaiser, Vasiliki Benekou, Patrizia Minutolo, Andrea D’Anna, Leo Gross

ACS Nano· Volume 17· Issue 14

Abstract

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Incipient soot early in the flame was studied by high-resolution atomic force microscopy and scanning tunneling microscopy to resolve the atomic structure and orbital densities of single soot molecules prepared on bilayer NaCl on Cu(111). We resolved extended catacondensed and pentagonal-ring linked (pentalinked) species indicating how small aromatics cross-link and cyclodehydrogenate to form moderately sized aromatics. In addition, we resolved embedded pentagonal and heptagonal rings in flame aromatics. These nonhexagonal rings suggest simultaneous growth through aromatic cross-linking/cyclodehydrogenation and hydrogen abstraction acetylene addition. Moreover, we observed three classes of open-shell π-radical species. First, radicals with an unpaired π-electron delocalized along the molecule’s perimeter. Second, molecules with partially localized π-electrons at zigzag edges of a π-radical. Third, molecules with strong localization of a π-electron at pentagonal- and methylene-type sites. The third class consists of π-radicals localized enough to enable thermally stable bonds, as well as multiradical species such as diradicals in the open-shell triplet state. These π-diradicals can rapidly cluster through barrierless chain reactions enhanced by van der Waals interactions. These results improve our understanding of soot formation and the products formed by combustion and could provide insights for cleaner combustion and the production of hydrogen without CO 2 emissions.
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Research context

OpenAlex topics: Advanced Chemical Physics Studies · Atmospheric chemistry and aerosols · Catalysis and Oxidation Reactions

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

IBM Research Europe − Zurich, Säumerstrasse 4, 8803 Rüschlikon, Switzerland

Istituto di Scienze e Tecnologie per l’Energia e la Mobilità Sostenibili, Consiglio Nazionale delle Ricerche, P.le Tecchio 80, 80125 Napoli, Italy

Department of Physics and Astronomy, Curtin University, 6102 Perth, Australia

Institute of Organic Synthesis and Photoreactivity (ISOF), CNR Area della Ricerca di Bologna; Via Piero Gobetti 101, 40129 Bologna, Italy

Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale - Università degli Studi di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80, 80125 Napoli, Italy

Funding

Air Force Office of Scientific Research · H2020 Marie Sklodowska-Curie Actions · Australian Research Council · H2020 Future and Emerging Technologies · H2020 European Research Council · Forrest Research Foundation

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