北理工在大气新粒子形成领域取得重要进展


  近日,北京理工大学化学与化工学院/原子分子簇科学教育部重点实验室张秀辉教授与合作者在大气新粒子形成领域取得重要进展。研究成果以“Unexpected quenching effect on new particle formation from the atmospheric reaction of methanol with SO3”(甲醇与SO3的反应对大气新粒子形成出乎意料的抑制作用)为题,于11月25日在线发表于Proc Natl Acad. Sci. USA(《美国科学院院刊》),论文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.1915459116。北京理工大学化学与化工学院博士生刘玲与美国内布拉斯加大学林肯分校博士生钟杰为共同第一作者,北京理工大学化学与化工学院张秀辉教授、美国内布拉斯加大学林肯分校曾晓成教授和宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授为共同通讯作者。北京理工大学为第一通讯单位。

  气溶胶新粒子是大气中颗粒物和云凝结核的重要来源,对区域环境质量、气候及人体健康均有重大影响。成核阶段是新粒子形成的关键,但成核阶段分子水平的物理化学机制,尤其是污染地区气溶胶成核的机制仍然是一个未解之谜。醇类物质在大气中广泛存在,具有浓度高、来源广的特点。由于醇类物质与大气常见成核前驱体之间形成的氢键较弱,通常认为醇类物质对大气新粒子形成几乎没有影响。而在大气复合污染条件下,多种污染物存在导致多种化学过程并存,具有一定化学活性的醇类物质是否会通过化学转化对气溶胶成核产生影响及其影响的成核机制目前还不清楚。

图1  成核前驱体(硫酸(SA)和硫酸甲酯(MHS))的竞争生成过程及其后续形成团簇的过程。甲醇:MO,二甲胺:DMA。

  张秀辉教授及其合作者将量子化学计算和大气团簇动力学模拟相结合,创新性地把醇类物质在大气中的转化反应及该过程对其它成核前驱体生成的影响因素加入到气溶胶成核模拟研究中(图1),发现在大气复合污染条件下甲醇可在常见成核前驱体(水,硫酸和二甲胺)的催化作用下,与SO3反应转化为对气溶胶成核有促进作用的硫酸甲酯,而该过程的发生又会在甲醇浓度较高的干燥污染地区通过竞争SO3抑制关键成核前驱体硫酸的生成(SO3与水反应,图2,a)。综合以上因素研究发现,甲醇对硫酸-二甲胺成核过程最终呈现出乎意料的抑制作用(图2,b)。

图2(a)不同水浓度下,由SO3生成的硫酸甲酯(MHS)和硫酸(SA)的浓度(cm-3)随甲醇(MO)浓度的变化。(b)不同水浓度下,粒子形成速率J (cm-3 s-1)随着 MO浓度的变化。

  该研究一方面提出了干燥的高度污染地区甲醇会通过化学转化参与气溶胶新粒子形成的新机制,为我国复合大气污染条件下新粒子形成机制研究提供新的研究思路和理论线索;另一方面,亦揭示了干燥的污染地区影响大气硫酸生成的关键化学过程,为准确预测大气中硫酸的浓度提供了重要的理论依据;同时,该研究还显示了在新粒子形成机制研究中考虑成核前驱体形成的竞争过程的必要性,为研究新粒子形成机制的模型改进提供了重要的新策略。

 

附个人简介:

  张秀辉,教授,北京理工大学化学与化工学院李泽生教授研究团队成员,长期从事理论计算化学方面的研究工作。近3年在大气颗粒物形成领域取得了一系列研究成果,除上述发表在Proc Natl Acad. Sci. USA文章外,还在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.,Atmos. Environ.、Chemosphere、J. Chem. Phys.等国际Top期刊发表多篇论文。上述研究工作受到国家自然科学基金面上项目(21976015,21373025)的资助。

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