中国科大发现大气水团簇中硫酸铵形成机理及与PM2,大气中硫酸氢铵形成机理有新解

大气中硫酸氢铵形成机理有新解
对雾霾颗粒形成有重要作用

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和美国化学学会前主席Joseph
Francisco院士研究组合作,发现了硫酸氢铵在大气中一种全新的形成机制。该成果近日发表在《美国化学会志》上,并被美国化学学会《化学与工程新闻》选为科学焦点报道。
铵盐氨与酸反应生成的由铵离子和酸根离子构成的离子化合物,如硫酸铵,是PM2.5雾霾颗粒的重要组成成分,并有观点认为其对PM2.5雾霾颗粒的最初形成起着至关重要的作用。
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的过程: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。
通过进一步研究,他们确认了反应路径,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(化学反应过程中必须超过的能量,有如跨栏中的栏高)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。他们在纳米水滴表面也观测到同样的反应机理。
这种能垒近乎为零的新型反应机理的发现,表明氨气可以直接参与并加速大气中硫酸氢铵及硫酸铵的形成,从而对大气中雾霾颗粒的形成起到至关重要的作用。

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JosephFrancisco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&EngineeringNews)2月8日选为热点文章报道(cen.acs.org/articles/94/i6/Water-Helps-Form-Ammonium-Bisulfate.html)。

本报讯近日,中国科学技术大学教授曾晓成和美国化学学会前主席Joseph
Francisco院士研究组合作,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。2月17日,该成果发表在《美国化学会志》上,并被美国化学学会《化学与工程新闻》选为科学焦点报道。

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。

铵盐——氨与酸反应生成的由铵离子和酸根离子构成的离子化合物,如硫酸铵,是PM2.5雾霾颗粒的重要组成成分。对于硫酸铵在大气中的形成,传统观点认为,三氧化硫先与水反应形成硫酸,再进一步与氨气反应产生硫酸铵。

对于铵的硫酸盐在大气中的形成,传统研究观点认为,三氧化硫先与水反应形成硫酸,再进一步与氨气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。

在最新研究中,曾晓成和Francisco小组首次发现,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的过程。
通过进一步研究,他们确认了反应路径,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(化学反应过程中必须超过的能量,有如跨栏中的栏高)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。他们在纳米水滴表面也观测到同样的反应机理。

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。

这种反应机理的发现,表明氨气可直接参与并加速大气中硫酸氢铵及硫酸铵的形成,从而对大气中雾霾颗粒的形成起到重要作用。

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。

《中国科学报》 (2016-02-22 第1版 要闻)

(化学与材料科学学院、能源材料化学协同创新中心、科研部)

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

相关文章