二次有机气溶胶的界面反应及其在灰霾形成中的作用机制

Atmospheric fine particle pollution events happen frequently in a large scale in China. However, the understanding of the causes of pollution is quite limited, with secondary organic aerosol (SOA) formation as the predominant difficulty. Atmospheric fine particles provide abundant surface for the interactions between the pollutants, where the surface multi-phase formation of SOA may potentially be important. Discrepancy remains for the modeling of organic aerosol due to the lack of knowledge of its interface physical and chemical reaction processes. Infrared Reflection Absorption Spectroscopy (IRRAS) is a high sensitive technique, which could detect organic surface in-situ and study the interactions between the pollutants and the surface. We propose to combine IRRAS, molecular dynamics (MD) simulations, photochemical smog chamber and field measurements to study the interactions between the surface of organic aerosol and atmospheric pollutants including molecules, radicals and ions. The effect of interfacial chemical bond formation, proton transfer reactions and intermolecular hydrogen bonds on aerosol growth and ageing will be greatly understood. This study will elucidate the key chemical processes in the formation of atmospheric complicated pollution at the molecular level and provide fundamental scientific basis for making reasonable and effective policy for air pollution control in China.

我国大气细颗粒物污染在大范围频繁发生，但对污染形成的原因尤其是二次有机气溶胶（SOA）形成机制的认识还非常有限。细颗粒物为污染物的相互作用提供了丰富的界面，SOA的界面多相形成机制可能起着关键作用。目前对SOA界面物理化学反应过程的研究缺乏，导致了模式模拟出现不同程度的偏差。红外反射吸收光谱（IRRAS）是一种高灵敏度的、可实时原位监测有机物表面并可以研究污染物与表面相互作用的新的实验技术手段。本项目拟结合红外反射吸收光谱（IRRAS）、分子动力学（MD）模拟、光化学烟雾箱和外场观测，研究有机气溶胶界面与大气污染物分子、自由基、离子等的相互作用与反应，深入认识界面化学键形成、质子转移反应、分子间氢键等过程对气溶胶生长和老化的作用。本研究将从分子水平上阐明大气复合污染形成的关键化学过程，为我国提出合理有效的大气污染控制对策提供科学依据。

为了探讨我国大气细颗粒物污染形成的原因并深化对二次有机气溶胶（SOA）形成机制的认识，本项目结合红外反射吸收光谱（IRRAS）、理论模拟、光化学烟雾箱实验模拟和外场观测，研究了有机气溶胶界面与大气污染物分子、自由基、离子等的相互作用与反应，并深入认识了界面化学键形成、质子转移反应、分子间氢键等过程对气溶胶生长和老化的作用，进而从分子水平上探讨了大气复合污染形成的关键化学过程。主要的研究结果如下：（1）搭建了一套表面反应装置，选取在真实大气环境气溶胶中存在的低挥发性长链有机成分（如硬脂酸、油酸）单层Langmuir膜模拟有机气溶胶的表面，并通过对红外反射吸收光谱（IRRAS）从分子水平上研究界面反应过程；（2）从理论模拟的角度研究了大气SOA的形成过程，探究了气溶胶成核生长微观机制，并从分子水平上揭示了污染物分子与离子和自由基之间的反应过程，得到分子运动过程中的微观细节；（3）采用体积为2 m3烟雾箱，并使用热脱附气相色谱-质谱联用仪（TD-GC-MS）、扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）、高效液相色谱-质谱联用仪（HPLC-MS）等手段测定模拟体系中的有机物成分及气溶胶粒径分布，从宏观角度验证微观实验和理论方法的研究结果；（4）通过现场采样和分析，测定了实际大气中的气态污染物以及PM2.5颗粒物中的有机碳（OC）、元素碳（EC）、水溶性有机碳（WSOC）、金属离子等成分，分析了界面反应过程对有机气溶胶生成和老化的贡献和影响，探讨了SOA对区域大气复合污染形成的贡献。在本项目的资助下，共发表SCI学术论文75篇，申请专利4项（发明专利4项），授权2项（发明专利2项）。