中国科大发现大气水团簇中硫酸铵形成机理及与PM2.5颗粒成核生长的潜在关联 2016-02-09

近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院及能源材料协同中心曾晓成教授(千人计划B获得者,美国内布拉斯加大学林肯分校Ameritas大学讲座教授)和美国化学学会前主席Joseph Francisco院士研究组(组员包括李磊,科大0514校友;朱重钦 博士,科大0614校友),通过第一性原理分子动力学模拟研究发现了硫酸氢铵在大气中一种全新的形成机制。成果作为通讯文章发表在《美国化学会志》(pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b13048) 上,并被美国化学学会《化学与工程新闻》(Chemical & Engineering News) 2月8日选为热点文章报道(cen.acs.org/articles/94/i6/Water-Helps-Form-Ammonium-Bisulfate.html)。 

 

2015年入冬以来,中国北方严重雾霾天数增多,导致对人体健康的危害加剧。雾霾颗粒的组成成分非常复杂,其中PM2.5(空气中直径小于等于2.5微米的颗粒物)对人体和环境有着严重影响,从而受到广泛的关注。而铵盐(比如硫酸铵和硝酸铵)是PM2.5雾霾颗粒的重要组成成分,并有观点认为其对PM2.5雾霾颗粒的成核起着至关重要的作用。然而由于分子水平上铵盐形成机理以及微观PM2.5成核机理还不完全清楚,氨气对雾霾颗粒形成的影响没有受到广泛关注(news.qq.com/a/20150301/022140.htm)。因此,研究铵盐形成的微观机理对理解大气中雾霾颗粒的形成机理进而为减轻严重雾霾天气提供科学指导有着非常现实而紧迫的意义。

 

对于铵的硫酸盐在大气中的形成,传统研究观点认为,三氧化硫(SO3)先与水反应形成硫酸,再进一步与氨气(NH3)反应产生铵的硫酸盐。然而在最新研究中,曾晓成和Francisco小组利用第一性原理分子动力学模拟研究首次发现,氨气可直接参与到三氧化硫与水的反应中。他们在模拟中直接观测到氨气分子和三氧化硫分子在水团簇中自发反应形成硫酸氢铵(NH4HSO4)的过程。在反应过程中,氨气和三氧化硫与水团簇形成一种特殊的环状结构。该环状结构的形成极大地促进了水分子中氢原子向氨气分子的转移,从而形成铵根离子。而同时氢氧根则很快与三氧化硫分子结合形成硫酸氢根。通过进一步反应过渡态搜索,确认了反应路径,他们发现三分子水团簇中第三个水分子的存在有助于环状结构的形成,而该环状结构能将反应能垒降至几近为零,从而大大增加了硫酸氢铵在大气水团簇中的形成速度。曾晓成和Francisco小组在纳米水滴表面也观测到了同样的反应机理。

 

这种新型近零势垒反应机理的发现表明,氨气可以直接参与并加速大气中铵盐的形成,从而对大气中雾霾颗粒的形成也起到至关重要的作用。该理论研究提出的新型环状结构导致的氢原子转移机制,有望为研究大气云层中的化学反应和雾霾颗粒的成核机理提供理论模型和指导。 

 

上述研究得到了中组部千人计划,、中国科学技术大学能源材料协同中心以及安徽省等项目的资助。 

 

(化学与材料科学学院、能源材料化学协同创新中心、科研部)


     
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