The chemical complexity of the interstellar medium and combustion environments pose a challenge to the scientific community seeking to provide a molecular understanding of their combustion. More refined spectroscopic tools and methodologies must be developed to selectively detect and characterize the widening array of fuel and interstellar species. The direct relationship between molecular structure and rotational frequencies makes rotational spectroscopy highly structural specific; therefore, it offers a powerful means of characterizing polar molecules. However, rotational spectra usually contain transitions from multiple components with multiple conformations as well as other dynamical properties interleaved with one another, making the assignment of the spectra very challenging. This thesis describes experimental work using broadband microwave spectroscopy and vacuum ultraviolet time-of-flight mass spectrometry to address a number of challenging problems in the spectroscopy of gas complex mixtures.<div><br></div><div>In the first part of my work, we report details of the design and operation of a single apparatus that combines Chirped-Pulse Fourier Transform Microwave spectroscopy (CP-FTMW) with VUV photoionization Time-of-Flight Mass Spectrometry (VUV TOFMS). The supersonic expansion used for cooling samples is interrogated first by passing through the region between two microwave horns capable of broadband excitation and detection in the 2-18 GHz frequency region of the microwave. After passing through this region, the expansion is skimmed to form a molecular beam, before being probed with 118 nm (10.5 eV) single-photon VUV photoionization in a linear time-of-flight mass spectrometer. The two detection schemes are powerfully complementary to one another. CP-FTMW detects all components with significant permanent dipole moments. Rotational transitions provide high-resolution structural data. VUV TOFMS provides a gentle and general method for ionizing all components of a gas phase mixture with ionization thresholds below 10.5 eV, providing their molecular formulae. The advantages, complementarity, and limitations of the combined methods are illustrated through results on two gas-phase mixtures made up of (i) three furanic compounds, two of which are structural isomers of one another, and (ii) the effluent from a flash pyrolysis source with <i>o-</i>guaiacol as precursor. <br></div><div><br></div><div>The broadband spectrum of 3-phenylpropionitrile was recorded under jet-cooled conditions over the 8-18 GHz region. A novel multi-resonance technique called strong field coherence breaking (SFCB) was implemented to record conformer-specific microwave spectra. This technique involves sweeping the broadband chirp followed by selectively choosing a set of single frequencies pulses to yield a set of rotational transitions that belong to a single entity in the gas-phase mixture, aiding assignment greatly. Transitions belonging to anti and gauche conformers were identified and assigned and accurate experimental rotational constants were determined to provide insight on the molecular structure. Experimental rotational transitions provided relative abundances in the supersonic expansion. A modified line picking scheme was developed in the process to modulate more transitions and improve the overall efficiency of the SFCB multiple selective excitation technique.<br></div><div><br></div><div>The rotational spectrum of 2-hexanone was recorded over the 8-18 GHz region using a CPFTMW spectrometer. SFCB was utilized to selectively modulate the intensities of rotational transitions belonging to the two lowest energy conformers of 2-hexanone, aiding the assignment. In addition, the SFCB method was applied for the first time to selectively identify rotational transitions built off the two lowest energy hindered methyl rotor states of each conformer, 0a₁ and 1e. Since these two states have rotational energy levels with different nuclear spin symmetries, their intensities could be selectively modulated by the resonant monochromatic pulses used in the SFCB method. The difference spectra, final fit and structural parameters are discussed for the three assigned conformers of 2-hexanone.<br></div><div><br></div><div>Developing new experimental techniques that allow for species identification and quantification in the high-temperature environment of reacting flows is a continuing challenge in combustion research. Here, we combine broadband chirped-pulse microwave (rotational) spectroscopy with an atmospheric-pressure jet-stirred reactor as a novel method to identify key reactive intermediates in low-temperature and ozone-assisted oxidation processes. In these experiments, the gas sample, after being withdrawn from reactive dimethyl ether/O₂/Ar, dimethoxy methane/O₂/Ar, and ethylene/O₂/O₃/Ar mixtures, expands via a supersonic expansion into the high vacuum of a microwave spectrometer, where the rotationally cold ensemble of polar molecules is excited with short MW radiation frequency ramps (chirps). The response of the molecular ensemble is detected in the time domain and after a Fourier transformation, the spectral composition of the transient emission is obtained in the frequency domain. The observed rotational frequencies are uniquely correlated to molecular structures and allow for an unambiguous identification of the sampled species. Detection and identification of intermediates such as formaldehyde, methyl formate, formic acid, formic acid anhydride, and the primary ethylene ozonide via literature-known rotational frequencies are evidence for the superb identification capabilities of broadband chirped-pulse microwave spectroscopy. Strong-field coherence breaking is employed to identify and assign transitions due to a specific component. The observation of van der Waals complexes provides an opportunity to detect combustion intermediates and products that are impossible to detect by rotational spectroscopy as isolated molecules. <br></div><div><br></div><div>Lastly, preliminary data on important combustion precursors is studied including pentanal, <i>trans-</i>2-pentenal and <i>o-,m- </i>and <i>p</i>-vinylanisole. The rotational spectrum of these five molecules is recorded from the 8-18 GHz region under jet-cooled conditions. For pentanal and <i>trans-</i>2-pentenal, SFCB was utilized to dissect the broadband spectrum, identifying the four and two lowest energy structures, respectively. The structural parameters and finals fits are provided. <br></div>

Les carburants synthétisés à partir de la biomasse représentent une alternative crédible aux carburants conventionnels. La biomasse lignocellulosique présente en effet une importante disponibilité et son traitement physico-chimique permet d’obtenir une grande variété de composés aux propriétés intéressantes. La structure de ces biocarburants fait cependant intervenir des fonctions oxygénées, qui rendent la compréhension des phénomènes d’oxydation complexes. Le projet 2G-CSAFE, dans lequel s’inscrit le travail présenté ici, a pour objectif d’explorer la cinétique d’oxydation de certains de ces carburants. Les fonctions chimiques étudiées lors de ce travail sont les fonctions cétone, éther et ester. La combinaison de deux de ces fonctions (comme dans le cas des lévulinates) est également étudiée. Après une étude bibliographique qui vise à identifier les informations apportées par les études passées sur les composés les plus simples de chaque famille (acétone, diméthyl-éther et formiate de méthyle), l’accent est mis sur les rares travaux disponibles liés à la butanone, la cyclopentanone, la cyclohexanone, le dibutyl-éther, le formiate de butyle et le lévulinate de méthyle. La cinétique d’oxydation de ces composés est ensuite étudiée par des approches numériques et expérimentales. Des calculs de chimie théorique sont menés dans un premier temps pour étudier l’impact des fonctions oxygénées sur la structure du carburant et pour obtenir les constantes de vitesse relatives aux principales réactions mises en jeu. Des expériences en réacteur auto-agité par jets gazeux sont ensuite réalisées sur une gamme de température pouvant aller de 450 à 1250 K, à des pressions de 1 ou 10 atm et pour des richesses allant de 0,5 à 2. Les données ainsi collectées sont enfin utilisées pour développer des mécanismes cinétiques. L’accord entre les simulations et les données expérimentales est globalement satisfaisant pour des composés aussi complexes et les résultats présentés ici pourront être source d’analogies pour la modélisation d’autres carburants oxygénés. / Fuels produced from biomass are an interesting alternative to conventional fuels. Lignocellulosic biomass is indeed highly available and a wide variety of compounds can be obtained through its physico-chemical conversion. However, the structure of the fuels obtained from such processes involves oxygenated groups that make complicated the understanding of the oxidation chemistry. The work presented here is part of the 2G-CSAFE project, which aims at exploring the oxidation kinetics of these fuels. Chemical functions studied in this work include ketones, ethers and esters. The combination of two functions (as for levulinates) is also investigated. After a literature review aiming at collecting the information reported on the simplest compound of each group (acetone, dimethylether and methylformate), available studies on butanone, cyclopentanone, cyclohexanone, dibutyl-ether, butyl-formate and methyl levulinate are considered. The oxidation of these compounds is thereafter studied by numerical and experimental approaches. Ab initio calculations are performed to study the impact of the oxygenated groups on the structure and to derive rate constants for the major chemical pathways. Experiments are then carried out in a jet-stirred reactor for temperatures ranging from 450 to 1250 K, pressures of 1 or 10 atm and equivalence ratios from 0.5 to 2. The data obtained through these two approaches are finally used to develop and validate kinetic mechanisms. The overall agreement between experiments and simulations is satisfactory and results presented here can be used as a source of analogy for the future modeling of other similar oxygenated fuels.

L'étude de l'oxydation d'hydrocarbures naphténiques (éthyl-cyclohexane, n-butyl-cyclohexane) et aromatiques (éthyl-benzène, n-butyl-benzène, n-hexyl-benzène) a été réalisée en réacteur auto-agité par jets-gazeux (pression de 1 à10 bar, température de500 à1100 K, richesse : 0,25, 1 et 2, temps de passage:2s). Les produits de réaction ont été quantifiés par chromatographie en phase gazeuse et identifiés par couplage avec la spectrométrie de masse. L'influence sur la réactivité et sur la sélectivité de la richesse, de la pression et de la taille de la chaîne alkyle greffée sur le cycle aromatique ou naphténique a été déterminée. La réactivité de l'éthyl-cyclohexane a également été comparée à celle obtenue pour deux autres composés contenant 8 atomes de carbone (le n-octane et le 1-octène). Les résultats expérimentaux pour l'éthyl-cyclohexane et le n-butyl-benzène sont en bon accord avec des prédictions réalisées à l'aide de modèles de la littérature, sauf pour le composé naphténique pour des températures inférieures à 800 K. Un mécanisme cinétique détaillé d'oxydation de l'éthyl-benzène a été développé (1411 réactions ; 205 espèces) et validé à partir des résultats obtenus lors de cette thèse mais également à partir de résultats disponibles dans la littérature. Ce mécanisme constitue la « base aromatique » implémentée dans le nouveau logiciel EXGAS Alkyl-aromatiques développé parallèlement à cette thèse et qui permet la génération automatique de mécanismes cinétiques d'oxydation des composés Alkyl-aromatiques. Une étude des règles génériques de décomposition des espèces primaires dans le mécanisme secondaire de ce logiciel a été réalisée lors de cette thèse / The study of the oxidation of naphthenic (ethyl-cyclohexane,n-butyl-cyclohexane) and aromatic (ethyl-benzene,n-butyl-benzene, n-hexyl-benzene) hydrocarbons was performed in a jet-stirred reactor (pressure from 1 to10 bar, temperature from 500 to 1100 K, equivalenceratio: 0.25, 1 and2, residence time: 2s). Reaction products were quantified by gas chromatography and identified using mass spectrometry. The influence on the reactivity and the product selectivity of the equivalence ratio, the pressure and the size of the side alkyl chain attached tothe aromatic or naphthenic ringwas determined. The reactivity of ethyl-cyclohexane was also compared to that obtained for two other compounds containing 8 carbon atoms (n-octane and1-octene). The experimental results for ethyl-cyclohexane and n-butyl-benzene have been satisfactorily compared with prediction made using detailed kinetic mechanisms from the literature, except for the naphthenic at temperature below 800 K. A detailed kinetic mechanismfor the oxidation of ethyl-benzene has been developed (1411 reactions, 205 species) and validated from experimental results obtained in this studybut also from results available in literature. This mechanism has now becomethe "aromatic base" implemented in the software EXGAS Alkyl-aromaticswhich has been developed together with this PhD work and which allows theautomatic generation of alkyl-aromatics oxidation kinetic mechanisms. A study of the generic rules of decomposition of primary species in the secondary mechanism of this softwarewas conducted in this thesis

Les carburants liquides actuels sont principalement issus du raffinage du pétrole. Cependant, leur remplacement par des carburants de nouvelle génération, renouvelables, dérivant de la biomasse et plus propre apparait comme une nécessité économique et environnementale. Les buts sont de réduire la dépendance au pétrole dont le prix augmente et les réserves diminuent, et limiter les émissions de dioxyde de carbone (gaz à effet de serre). L'adaptation des motorisations actuelles à ces nouveaux carburants nécessite une connaissance approfondie de leur cinétique de combustion et de la nature et des concentrations des polluants formés lors de leur utilisation. Les activités de recherche sur les carburants alternatifs destinés au secteur aéronautique ont ainsi considérablement augmenté ces dernières années. Dans le cadre de cette étude nous nous sommes intéressés à la solution « carburants de synthèse » qui offrent des perspectives encourageantes pour le futur. Des études cinétiques d’oxydation ont été menées en réacteur auto-agité par jets gazeux (JSR) sur une large gamme de conditions expérimentales à l’Institut de Combustion Aérothermique Réactivité et Environnement sur le campus du CNRS d’Orléans. Ces études ont été menées dans un premier temps sur des hydrocarbures purs qui pourraient être de bons candidats comme molécules-modèles pour représenter la part des iso-paraffines dans un kérosène de synthèse. Ces molécules sont des isomères de l’iso-octane utilisé comme tel jusqu’à maintenant. Dans un second temps, des études ont été menées sur trois kérosènes de synthèse dont un SPK fournit par l’IFP, un CtL (Sasol) et un GtL (Shell). Les analyses par spectrométrie d’absorption infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et par chromatographie en phase gazeuse (CPG-FID-TCD-MS) nous ont permis de mesurer les profils de concentration des réactifs, des produits finals et des intermédiaires stables en fonction de la température. Des mécanismes cinétiques détaillés adaptés aux composés étudiés ont été développés et validés par confrontation avec les résultats expérimentaux. / Current liquid fuels are mainly from petroleum refining. However, replacing them with new-generation alternatives fuels, renewable, from biomass and cleaner appear to be an economic and environmental necessity. Goals are to reduce petroleum dependency whose price increases and supplies decreases, and limit emissions of carbon dioxide (greenhouse gas emissions). The adaptation of existing engines to these new fuels requires a thorough knowledge of their kinetic of combustion and the nature and concentrations of pollutants formed during their use. Research activities on alternative fuels for the aviation industry have considerably increased in recent years. In this study we are interested in the "synthetic fuels" solution that offers encouraging prospects for the future. Studies on the kinetic of oxidation were carried out in a Jet Stirred Reactor (JSR) over a wide range of experimental conditions at the Institute of Combustion Aerothermal Reactivity and Environment on the campus of the CNRS of Orléans. These studies were initially conducted on pure hydrocarbons which could be good candidates as models molecules to represent the isoparaffins cut in a synthetic kerosene. These molecules are isomers of iso-octane used as such until now. In a second step, studies were conducted on three synthetic kerosene, a SPK provided by IFP, a CtL (Sasol) and GTL (Shell). Analyses by Fourier transform infrared spectrometry (FTIR) and by gas chromatography (GC-FID-TCD-MS) allowed us to measure the concentration profiles of reactants, stable intermediates and finals products as a function of temperature. Detailed kinetic mechanisms adapted to the studied compounds have been developed and validated by comparison with experimental results.

Dans le cadre du projet DISPATMO (étude de la prévision des risques de pollution liés à la dispersion atmosphérique de produits chimiques), des études de risques liés aux incendies et explosions dus aux produits chimiques stockés sur deux sites tests ont été menées. Le but est d’identifier les produits de combustion de certains composés cibles définis au début du projet, ainsi que d’estimer leur concentration. Les composés tests sont l’éthanol, le 2-butanone, le toluène et le solvant TIFLEX. Ces composés sont susceptibles, surtout à richesse élevées, de former des quantités non-négligeables d’isomères du butène, composés chimiques connus pour être d’importants intermédiaires de la combustion d’hydrocarbures. Après une étude bibliographique sur les isomères du butène, de l’éthanol, de la 2-butanone et du toluène, un mécanisme cinétique détaillé pour simuler l’oxydation de ces composés a été proposé. Une étude expérimentale de l’oxydation de 4 butènes (1-butène, trans-2-butène, cis-2-butène et iso-butène) a été réalisée en réacteur auto-agité (T = 900-1440 K, p = 1 atm, = 0,25, 0,5, 1 et 2, = 70 ms) et en chambre de combustion sphérique (Ti = 300 K, pi = 1, 2, 3 et 5 atm, = 0,8-1,4). Les résultats obtenus ont été confrontés à la simulation. Des données expérimentales issues de la littérature ont été utilisées afin de valider le modèle pour l’oxydation de l’éthanol, de la 2-butanone, du toluène et des isomères du butène. Enfin, une étude expérimentale de l’oxydation du solvant TIFLEX a été menée en réacteur auto-agité (T = 740-1310 K, p = 1 atm, = 0,5, 1 et 2) pour en connaître la composition ainsi que pour identifier et quantifier les produits d’oxydation. Le mécanisme cinétique proposé comporte un coeur C0-C4 robuste, en faisant un outil prédictif fiable, pouvant servir de base à des mécanismes plus étendus capables de représenter la combustion de nombreuses autres espèces (alcanes, alcènes, alcools, aldéhydes ou cétones), par ajout de sous-mécanismes. / In the context of the DISPATMO project (study of the forecast of the risks of pollution related to the atmospheric dispersal of chemicals), risk studies linked to the fires and the explosions due to chemical storage were conducted. The purpose is to identify the combustion products of certain target compounds defined at the beginning of the project, as well as to estimate their concentration. The target compounds include ethanol, 2-butanone, toluene and the solvent TIFLEX. These compounds lead, especially in fuel-rich conditions, to the formation of high quantities of butene isomers, compounds known as important intermediates of hydrocarbon combustion. After a bibliographical study on butene isomers, ethanol, 2- butanone and toluene, a detailed kinetic mechanism for the simulation of the oxidation of these compounds was proposed. An experimental study of the oxidation of the butene isomers was performed in a jet-stirred reactor (T = 900-1440 K, p = 1 atm, = 0.25, 0.5, 1 and 2, = 70 ms) and in a spherical combustion chamber (Ti = 300 K, pi = 1, 2, 3 and 5 atm, = 0.8-1.4). Experimental results were compared with their simulations. Experimental data from the literature were used to validate the model for the oxidation of ethanol, 2-butanone, toluene and butene isomers. Finally, an experimental study of the oxidation of the solvent TIFLEX was performed in the jet-stirred reactor (T = 740-1310 K, p = 1 atm, = 0.5, 1 and 2) in order to know the composition as well as to identify and quantify of the oxidation products. The proposed kinetic mechanism contains a strong C0-C4 base, resulting in a reliable predictive tool, which can be used as a base in larger mechanisms simulating the combustion other species (alkanes, alkenes, alcohols, aldehydes or ketones), by addition of sub-mechanisms.

Le secteur des transports est soumis à des réglementations sévères visant à limiter les émissions polluantes à l’échappement. Les biocarburants ont reçu une attention particulière en tant que carburant de substitution ou additif aux carburants traditionnels dans l’espoir de remédier aux problèmes de l’épuisement des ressources fossiles et des émissions de certains polluants. Cette thèse a pour objectif principal d’étudier l’impact de l’incorporation des biocarburants oxygénés ou synthétiques aux carburants traditionnels sur les émissions de polluants non réglementés à savoir les composés carbonylés (aldéhydes et cétones) et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) adsorbés sur la suie. Dans un premier temps, une étude a été menée dans une chambre de combustion interne. Les prélèvements des gaz à l’échappement suivis par les analyses chromatographiques en phase liquide ont permis d’évaluer l’effet de l’additivation du carburant sur les émissions de composés carbonylés. Une deuxième étude a été menée au moyen d’un brûleur à flamme plate permettant de collecter des suies de flammes riches dans des conditions stabilisées. Les mesures effectuées ont permis de déterminer l’effet de l’incorporation des biocarburants oxygénés au carburant sur la production de suie et le contenu d’HAPs adsorbés. Ce travail a été complété par l’étude de la cinétique d’oxydation de trois additifs oxygénés à l’état pur en réacteur auto-agité à pression atmosphérique et dans un large domaine de températures (530-1280 K) et de richesses (0,5-4). Les profils de concentration des réactifs, produits et principaux intermédiaires stables ont été obtenus par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourrier (IRTF) et chromatographie en phase gazeuse. Ces résultats ont été ensuite confrontés aux profils d’espèces obtenus par simulation, à l’aide des modèles cinétiques d’oxydation disponibles dans la littérature. / The transport sector is subject to strict regulations aiming at limiting pollutants emissions. Biofuels have received particular attention as alternative fuel or additive to traditional fuels for remedying two issues: the depletion of fossil resources and emissions of certain pollutants. In this work we studied the impact of blending conventional fuels with synthetic or oxygenated biofuels on the emissions of non-regulated pollutants, namely carbonyl compounds (aldehydes and ketones) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) adsorbed on soot. Firstly, the carbonyl compounds emissions were studied using an internal combustion engine. The carbonyls were collected at the exhaust of a diesel engine running with biofuel blends and analyzed using high performance liquid chromatography. Secondly, the impact of blending the conventional fuel with oxygenated biofuels on soot formation and adsorbed PAHs were studied using a flat flame burner under well stabilized conditions. This work was completed by the study of the kinetics of oxidation of three oxygenated additives in a jet-stirred reactor at atmospheric pressure, over the temperature range 530-1280 K and for different equivalence ratios (0.5-4). The concentration profiles of reactants, products and main stable intermediates were obtained by probe sampling and gas analyses including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and gas phase chromatography. These results were then compared to simulated species concentration profiles obtained using oxidation kinetic models available from the literature.

En raison de la complexité de leur composition, l’étude de l’oxydation des gazoles et des carburants biodiesel nécessite de choisir des molécules modèles représentant ces mélanges. Dans ce contexte nous avons sélectionné deux molécules pouvant représenter les gazoles : le n-décane, souvent considéré comme molécule modèle des paraffines contenues dans les gazoles, et le n-hexadécane, molécule de référence pour l’estimation de l’indice cétane, ainsi que deux molécules représentant les carburants biodiesel : le palmitate de méthyle (C17H34O2, ester méthylique saturé) et l’oléate de méthyle (C19H36O2, ester méthylique insaturé). L’étude de l’oxydation de ces molécules a été menée en réacteur auto-agité par jets gazeux, à une richesse de 1, des températures comprises entre 550 et 1100 K, à pression atmosphérique et à un temps de passage constant de 1,5 s. La formation d’un nombre important d’espèces a été observée parmi lesquelles figurent des oléfines, des diènes, des esters méthyliques insaturés, des éthers cycliques avec différentes tailles de cycle, des cétones et des aldéhydes. Grâce à deux nouvelles versions du logiciel EXGAS, des mécanismes cinétiques détaillés de l’oxydation des molécules étudiées ont été générés et validés par comparaison avec les résultats expérimentaux. Enfin, une comparaison de la réactivité du n-décane, du n-hexadécane, du palmitate de méthyle et de l’oléate de méthyle et des quantités de produits formées (dont certains polluants) a été effectuée / Because of the complexity of their compositions, the study of the oxidation of diesel and biodiesel fuels requires choosing model molecules (surrogates) representing the real mixtures. In this context, we have selected two molecules to represent the diesel fuel: n-decane, usually considered as model molecule of paraffin contained in diesel fuel, and n-hexadecane, molecule of reference for the estimation of the cetane number, and two molecules representing biodiesel fuel: methyl palmitate (C17H34O2, a saturated methyl ester) and methyl oleate (C19H36O2, an unsaturated methyl ester). The study of oxidation of these molecules has been conducted in a jet-stirred reactor, with an equivalence ratio of 1, temperatures between 550 and 1100 K, at atmospheric pressure and for a constant residence time of 1.5 sec. The formation of a large number of species has been observed which includes olefins, dienes, unsaturated methyl esters, cyclic ethers with different size of ring, ketones and aldehydes. Using two new versions of EXGAS software, detailed kinetic mechanisms for the oxidation of the studied molecules were generated and validated by comparaison with experiemental results. Finally, a comparison of the reactivity of n-decane, n-hexadecane, methyl palmitate and methyl oleate and amounts of formed products (including some pollutants) has been performed