近日，該校曾曉成教授和美國化學(xué)學(xué)會(huì)前主席JosephFrancisco院士研究組，通過第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬研究發(fā)現(xiàn)了硫酸氫銨在大氣中一種全新的形成機(jī)制。成果作為通訊文章發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》上，并被美國化學(xué)學(xué)會(huì)《化學(xué)與工程新聞》2月8日選為熱點(diǎn)文章報(bào)道。
2015年入冬以來，中國北方嚴(yán)重霧霾天數(shù)增多，導(dǎo)致對(duì)人體健康的危害加劇。霧霾顆粒的組成成分非常復(fù)雜，其中PM2.5對(duì)人體和環(huán)境有著嚴(yán)重影響，從而受到廣泛的關(guān)注。而銨鹽是PM2.5霧霾顆粒的重要組成成分，并有觀點(diǎn)認(rèn)為其對(duì)PM2.5霧霾顆粒的成核起著至關(guān)重要的作用。然而由于分子水平上銨鹽形成機(jī)理以及微觀PM2.5成核機(jī)理還不完全清楚，氨氣對(duì)霧霾顆粒形成的影響沒有受到廣泛關(guān)注。因此，研究銨鹽形成的微觀機(jī)理對(duì)理解大氣中霧霾顆粒的形成機(jī)理，進(jìn)而為減輕嚴(yán)重霧霾天氣提供科學(xué)指導(dǎo)有著非?，F(xiàn)實(shí)而緊迫的意義。
對(duì)于銨的硫酸鹽在大氣中的形成，傳統(tǒng)研究觀點(diǎn)認(rèn)為，三氧化硫先與水反應(yīng)形成硫酸，再進(jìn)一步與氨氣反應(yīng)產(chǎn)生銨的硫酸鹽。然而在最新研究中，曾曉成和Francisco小組利用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬研究首次發(fā)現(xiàn)，氨氣可直接參與到三氧化硫與水的反應(yīng)中。他們?cè)谀M中直接觀測到氨氣分子和三氧化硫分子在水團(tuán)簇中自發(fā)反應(yīng)形成硫酸氫銨的過程。在反應(yīng)過程中，氨氣和三氧化硫與水團(tuán)簇形成一種特殊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。該環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成極大地促進(jìn)了水分子中氫原子向氨氣分子的轉(zhuǎn)移，從而形成銨根離子。而同時(shí)氫氧根則很快與三氧化硫分子結(jié)合形成硫酸氫根。通過進(jìn)一步反應(yīng)過渡態(tài)搜索，確認(rèn)了反應(yīng)路徑，他們發(fā)現(xiàn)三分子水團(tuán)簇中第三個(gè)水分子的存在有助于環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成，而該環(huán)狀結(jié)構(gòu)能將反應(yīng)能壘降至幾近為零，從而大大增加了硫酸氫銨在大氣水團(tuán)簇中的形成速度。曾曉成和Francisco小組在納米水滴表面也觀測到了同樣的反應(yīng)機(jī)理。
這種新型近零勢(shì)壘反應(yīng)機(jī)理的發(fā)現(xiàn)表明，氨氣可以直接參與并加速大氣中銨鹽的形成，從而對(duì)大氣中霧霾顆粒的形成也起到至關(guān)重要的作用。該理論研究提出的新型環(huán)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的氫原子轉(zhuǎn)移機(jī)制，有望為研究大氣云層中的化學(xué)反應(yīng)和霧霾顆粒的成核機(jī)理提供理論模型和指導(dǎo)。
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