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水促进雾霾微颗粒中硫酸盐生成的微观化学新机制
2020年01月14日    作者: 戴亚飞 高飞雪    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金委的资助下(项目资助号:21773287,11574340),中国科学院上海高等研究院高嶷研究员课题组与美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授、美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授及北京化工大学的李晖教授等合作,通过第一性原理计算发现了水催化雾霾微颗粒硫酸盐生成的微观化学新机制。研究成果于11月14日以“揭示气溶胶雾霾中缺失硫酸盐生成的化学新机制:气相NO2与水相HSO3-/SO32-”(Unraveling a New Chemical Mechanism of Missing Sulfate Formation in Aerosol Haze: Gaseous NO2 with Aqueous HSO3-/SO32-)为题在线发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)期刊上(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 19312-19320;链接https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b08503)。

近年来,我国秋冬季雾霾天气呈现常态化趋势,造成严重空气污染,对人类身心健康造成极大威胁。二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2)作为大气初期污染物的主要成分,主要来自化石燃料的燃烧,包括机动车尾气排放、煤炭燃烧、工业过程等。这些初级污染物经过一系列复杂的物理化学过程产生二级污染物,如硫酸盐、硝酸盐和铵盐气溶胶颗粒。硫酸盐气溶胶作为PM2.5的主要构成成分,是雾霾产生的一个重要元凶。因此,研究硫酸盐的形成机制对于科学治理雾霾具有重要的意义。目前广泛使用的大气模型和传统的雾霾形成的化学机制是基于西方清洁地区雾霾多发生于干燥天气和白天的特点所提出的,传统化学机制中硫酸盐的生成主要依赖于光化学参与。但是,我国雾霾具有高湿度、高浓度污染物(如NO2和SO2等)、及夜间雾霾浓度更大等特征,暗示了在高湿度高污染下,不需要光化学参与就能大量生成硫酸盐新的化学机制。

高嶷研究员及合作者通过从头算分子动力学模拟和高精度计算方法,揭示了利用水催化促进硫酸盐形成的化学新机制。通过水桥,处于纳米液滴中的亚硫酸根离子(SO32-)或亚硫酸氢根离子(HSO3-)可以将电子快速转移到周围的气相NO2分子。传统的气相电子转移路径势垒高达32.7 kcal/mol,而通过水桥进行电子转移的液相反应路径势垒只有4.5 kcal/mol。电子转移促进了HSO3-中O-H键的解离,进而形成SO3-;SO3-再与另一个NO2分子反应形成NO2SO3-化合物;该NO2SO3-与液滴中的水分子反应形成硫酸盐HSO4-和HONO(HNO2),如图一所示。该工作首次揭示了高湿度、无光照情况下NO2液相氧化亚硫酸盐的反应过程,提出了亚硫酸盐的水合层参与催化反应过程的分子机制。该研究一方面弥补了传统雾霾形成的化学机制无法解释高湿度环境中高浓度NO2导致硫酸盐生成的理论的缺失,推动了大气模型的进一步完善,为有效控制我国雾霾形成提供了科学依据;另一方面所提出的水促进硫酸盐形成的机制为理解其他化学分子液相及气/液界面反应提供了新的思路。

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图一:水促进硫酸盐形成的反应过程

附:

相关文献参见:

Jinrong Yang, Lei Li, Shixian Wang, Hui Li, Joseph S. Francisco,* Xiao Cheng Zeng,* Yi Gao,* Unraveling a New Chemical Mechanism of Missing Sulfate Formation in Aerosol Haze: Gaseous NO2 with Aqueous HSO3-/SO32-, Journal of the American Chemical Society, 2019, 141, 19312-19320, DOI:10.1021/jacs.9b08503

英文题目:Unraveling a New Chemical Mechanism of Missing Sulfate Formation in Aerosol Haze: Gaseous NO2 with Aqueous HSO3-/SO32-

中文题目:揭示气溶胶雾霾中缺失硫酸盐生成的化学新机制:气相NO2与水相HSO3-/SO32-

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b08503

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