中國科大等發(fā)現(xiàn)大氣水團(tuán)簇中硫酸銨形成機(jī)理及與PM2.5顆粒成核生長的潛在關(guān)聯(lián)

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“千人計劃”教授曾曉成和美國化學(xué)學(xué)會前主席Joseph Francisco研究組合作，通過第一性原理分子動力學(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。研究成果作為通訊文章發(fā)表在《美國化學(xué)會志》上，并被美國化學(xué)學(xué)會《化學(xué)與工程新聞》2月8日選為熱點文章報道。

　　銨鹽是PM2.5霧霾顆粒的重要組成成分，研究銨鹽形成的微觀機(jī)理對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)實而緊迫的意義。

　　對于銨的硫酸鹽在大氣中的形成，傳統(tǒng)研究觀點認(rèn)為，三氧化硫（SO3）先與水反應(yīng)形成硫酸，再進(jìn)一步與氨氣（NH3）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。他們在模擬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(NH4HSO4)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。研究人員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)。

　　上述研究得到中組部千人計劃、中國科大能源材料協(xié)同中心以及安徽省等項目的資助。