碳质气溶胶的界面反应过程及其对碳质气溶胶表面组成、结构和吸湿性的影响

全球每年生物质燃烧排放碳质气溶胶500-1700TgC，化石燃料燃烧排放约24TgC，中国居全球排放之首(占1/4)。模式研究认为其增温效应可能仅次于CO2。由于实验数据匮乏，模式研究的结果还存在相当大的不确定性；尤其是辐射效应与其组成、结构以及吸湿性等密切相关，而界面反应过程又会反过来影响上述性质，从而增加了碳质气溶胶辐射效应的不确定性。目前，由于研究方法的局限、样品来源、组成和结构的差异，文献报道的吸湿性数据间存在较大争议；界面反应对碳质气溶胶组成、结构和吸湿性的影响研究也鲜见报道。因此，本项目以中国典型的燃煤、秸秆燃烧和柴油车尾气排放碳质气溶胶为对象；用原位拉曼、红外光谱和理论计算等研究其与O3、NOx、SO2等气体的非均相反应和光化学反应过程；分析反应前后表面组成和结构的变化；用BET吸附仪研究反应前后吸湿性的变化，建立构效关系；为碳质气溶胶辐射效应研究提供基数据，具有重要意义。

碳质气溶胶的气候效应，还存在相当大的不确定性；尤其是其气候效应与组成、结构、吸湿性等密切相关，而界面反应过程又反过来影响上述性质，从而增加了碳质气溶胶气候效应的不确定性。目前，由于研究方法的局限、样品来源、组成和结构的差异，文献报道的吸湿性数据间存在较大争议；界面反应对碳质气溶胶组成、结构和吸湿性的影响研究也鲜见报道。本项目系统研究了黑碳(soot)与O3、NO2等的非均相反应及反应前后soot表面组成、结构和吸湿性的变化，建立了构-效关系；为碳质气溶胶气候效应研究提供了基础数据。. 制备了不同soot样品，并对其亲水性、形貌、结构、VOCs含量等进行了表征。发现正己烷和癸烷soot的亲水性随燃氧比减小而增加，而甲苯soot基本不变，并发现soot的亲水性与表面极性官能团含量随燃氧比变化的趋势一致，建立了soot亲水性与表面官能团之间的定量关系。研究了模型soot和可控条件制备soot与O3反应过程中结构、形貌和吸湿性变化；确认了无定形碳和无序碳是其反应活性中心；动力学研究表明表面无序碳活性高于石墨层边缘无序碳；富燃火焰soot中表面石墨层和边缘无序碳的反应活性均高于贫燃火焰soot；臭氧老化导致soot一次颗粒粒径减小、分形维数和吸湿性增加。. 研究发现，模拟太阳光显著增强NO2对soot的老化过程，并生成表面硝基化合物，硝基化合物光解可进一步生成多种羰基化合物以及气态HONO和NO。动力学研究发现，soot的老化速率依赖于NO2浓度和soot制备条件。富燃火焰soot由于含丰富的有机碳物种而对NO2表现出高光化学反应活性；进一步建立了NO2在soot上的摄取系数和HONO产率与有机碳含量的定量关系。. 首次发现分子氧参与的光化学反应是soot的重要的大气老化过程。在光照强度25 mW cm-2 条件下，soot与20 % O2气氛下的反应速率是100 ppb O3气氛下的反应速率的1.5-3.5倍。考虑到O2的丰度和高反应活性，我们认为O2参与的光化学氧化应当是soot的重要的大气老化过程。基于表面组成分析，进一步确认了有机碳在O2对soot的光化学老化过程中的关键性作用，有机碳被转化为醌、酮、醛、内酯和酸酐等各种含氧物种，从而进一步改变了soot的气候和环境效应。. 发表SCI收录论文6篇，会议论文7篇。