北理工在大氣新粒子形成領域取得重要進展


  近日,北京理工大學化學與化工學院/原子分子簇科學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域取得重要進展。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日在線發表于Proc Natl Acad. Sci. USA(《美國科學院院刊》),論文鏈接:https://doi.org/10.1073/pnas.1915459116。北京理工大學化學與化工學院博士生劉玲與美國內布拉斯加大學林肯分校博士生鐘杰為共同第一作者,北京理工大學化學與化工學院張秀輝教授、美國內布拉斯加大學林肯分校曾曉成教授和賓夕法尼亞大學Joseph S. Francisco教授為共同通訊作者。北京理工大學為第一通訊單位。

  氣溶膠新粒子是大氣中顆粒物和云凝結核的重要來源,對區域環境質量、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鍵,但成核階段分子水平的物理化學機制,尤其是污染地區氣溶膠成核的機制仍然是一個未解之謎。醇類物質在大氣中廣泛存在,具有濃度高、來源廣的特點。由于醇類物質與大氣常見成核前驅體之間形成的氫鍵較弱,通常認為醇類物質對大氣新粒子形成幾乎沒有影響。而在大氣復合污染條件下,多種污染物存在導致多種化學過程并存,具有一定化學活性的醇類物質是否會通過化學轉化對氣溶膠成核產生影響及其影響的成核機制目前還不清楚。

圖1  成核前驅體(硫酸(SA)和硫酸甲酯(MHS))的競爭生成過程及其后續形成團簇的過程。甲醇:MO,二甲胺:DMA。

  張秀輝教授及其合作者將量子化學計算和大氣團簇動力學模擬相結合,創新性地把醇類物質在大氣中的轉化反應及該過程對其它成核前驅體生成的影響因素加入到氣溶膠成核模擬研究中(圖1),發現在大氣復合污染條件下甲醇可在常見成核前驅體(水,硫酸和二甲胺)的催化作用下,與SO3反應轉化為對氣溶膠成核有促進作用的硫酸甲酯,而該過程的發生又會在甲醇濃度較高的干燥污染地區通過競爭SO3抑制關鍵成核前驅體硫酸的生成(SO3與水反應,圖2,a)。綜合以上因素研究發現,甲醇對硫酸-二甲胺成核過程最終呈現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甲醇會通過化學轉化參與氣溶膠新粒子形成的新機制,為我國復合大氣污染條件下新粒子形成機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影響大氣硫酸生成的關鍵化學過程,為準確預測大氣中硫酸的濃度提供了重要的理論依據;同時,該研究還顯示了在新粒子形成機制研究中考慮成核前驅體形成的競爭過程的必要性,為研究新粒子形成機制的模型改進提供了重要的新策略。

 

附個人簡介:

  張秀輝,教授,北京理工大學化學與化工學院李澤生教授研究團隊成員,長期從事理論計算化學方面的研究工作。近3年在大氣顆粒物形成領域取得了一系列研究成果,除上述發表在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期刊發表多篇論文。上述研究工作受到國家自然科學基金面上項目(21976015,21373025)的資助。

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