北理工在大氣新粒子形成領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2019-12-20 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 張秀輝
編輯：李亞鑫 審核：李春 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院/原子分子簇科學(xué)教育部重點實驗室張秀輝教授與合作者在大氣新粒子形成領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究成果以“Unexpected quenching effect on new particle formation from the atmospheric reaction of methanol with SO3”（甲醇與SO3的反應(yīng)對大氣新粒子形成出乎意料的抑制作用）為題，于11月25日在線發(fā)表于Proc Natl Acad. Sci. USA（《美國科學(xué)院院刊》），論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.1915459116。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士生劉玲與美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校博士生鐘杰為共同第一作者，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院張秀輝教授、美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校曾曉成教授和賓夕法尼亞大學(xué)Joseph S. Francisco教授為共同通訊作者。北京理工大學(xué)為第一通訊單位。
氣溶膠新粒子是大氣中顆粒物和云凝結(jié)核的重要來源，對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量、氣候及人體健康均有重大影響。成核階段是新粒子形成的關(guān)鍵，但成核階段分子水平的物理化學(xué)機(jī)制，尤其是污染地區(qū)氣溶膠成核的機(jī)制仍然是一個未解之謎。醇類物質(zhì)在大氣中廣泛存在，具有濃度高、來源廣的特點。由于醇類物質(zhì)與大氣常見成核前驅(qū)體之間形成的氫鍵較弱，通常認(rèn)為醇類物質(zhì)對大氣新粒子形成幾乎沒有影響。而在大氣復(fù)合污染條件下，多種污染物存在導(dǎo)致多種化學(xué)過程并存，具有一定化學(xué)活性的醇類物質(zhì)是否會通過化學(xué)轉(zhuǎn)化對氣溶膠成核產(chǎn)生影響及其影響的成核機(jī)制目前還不清楚。
圖1 成核前驅(qū)體（硫酸（SA）和硫酸甲酯（MHS））的競爭生成過程及其后續(xù)形成團(tuán)簇的過程。甲醇：MO，二甲胺：DMA。
張秀輝教授及其合作者將量子化學(xué)計算和大氣團(tuán)簇動力學(xué)模擬相結(jié)合，創(chuàng)新性地把醇類物質(zhì)在大氣中的轉(zhuǎn)化反應(yīng)及該過程對其它成核前驅(qū)體生成的影響因素加入到氣溶膠成核模擬研究中（圖1），發(fā)現(xiàn)在大氣復(fù)合污染條件下甲醇可在常見成核前驅(qū)體（水，硫酸和二甲胺）的催化作用下，與SO3反應(yīng)轉(zhuǎn)化為對氣溶膠成核有促進(jìn)作用的硫酸甲酯，而該過程的發(fā)生又會在甲醇濃度較高的干燥污染地區(qū)通過競爭SO3抑制關(guān)鍵成核前驅(qū)體硫酸的生成（SO3與水反應(yīng)，圖2，a）。綜合以上因素研究發(fā)現(xiàn)，甲醇對硫酸-二甲胺成核過程最終呈現(xiàn)出乎意料的抑制作用（圖2，b）。
圖2（a）不同水濃度下，由SO3生成的硫酸甲酯（MHS）和硫酸（SA）的濃度（cm-3）隨甲醇（MO）濃度的變化。（b）不同水濃度下，粒子形成速率J （cm-3 s-1）隨著 MO濃度的變化。
該研究一方面提出了干燥的高度污染地區(qū)甲醇會通過化學(xué)轉(zhuǎn)化參與氣溶膠新粒子形成的新機(jī)制，為我國復(fù)合大氣污染條件下新粒子形成機(jī)制研究提供新的研究思路和理論線索；另一方面，亦揭示了干燥的污染地區(qū)影響大氣硫酸生成的關(guān)鍵化學(xué)過程，為準(zhǔn)確預(yù)測大氣中硫酸的濃度提供了重要的理論依據(jù)；同時，該研究還顯示了在新粒子形成機(jī)制研究中考慮成核前驅(qū)體形成的競爭過程的必要性，為研究新粒子形成機(jī)制的模型改進(jìn)提供了重要的新策略。
附個人簡介：
張秀輝，教授，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院李澤生教授研究團(tuán)隊成員，長期從事理論計算化學(xué)方面的研究工作。近3年在大氣顆粒物形成領(lǐng)域取得了一系列研究成果，除上述發(fā)表在Proc Natl Acad. Sci. USA文章外，還在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.，Atmos. Environ.、Chemosphere、J. Chem. Phys.等國際Top期刊發(fā)表多篇論文。上述研究工作受到國家自然科學(xué)基金面上項目（21976015，21373025）的資助。
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