硫酸-水-胺类物质成核机理的实验与理论研究

The formation of new particle is the major source of atmosphere aerosol particles. It can affect global climate change and human health. Up to now, the study of new particle formation mainly focus on the size range of larger than 3 nm, and the nucleation process remains limited. For ternary nucleation theory, amines can evidently increase the nucleating rate of sulfuric acid-water nucleation system, but the effect of amine in the nucleation process is still controversial. Weather the amines form strong hydrogen-bonded complexes with sulfuric acid to help overcome the free energy nucleation barrier? It is unclear. Therefore, this research mainly through physical chemical methods, using infrared spectrum and theoretical calculation research the rule of sulfuric acid-water-amines system from molecular level. This study will provide us a important reference for other nucleation research.

新粒子形成是大气中气溶胶粒子的主要来源，它能间接地影响全球气候变化以及人类健康。目前对新粒子生成的研究主要集中在3 nm以上的生长阶段，而对成核阶段(小于3 nm)还缺乏系统研究。对于三元均相成核而言，胺能够显著增强硫酸和水的成核速率，但对胺分子在成核中的作用一直存在争议，胺分子是否通过与硫酸形成较强的氢键来降低成核能垒？现在还没有一个清晰的认识。因此，本项研究主要利用物理化学手段，基于红外光解离谱装置并结合量子化学计算，从分子层次角度出发，研究硫酸-水-胺在成核阶段的变化规律，获得它们详细的成核机理，为进一步深入研究其它成核机制奠定基础。

新粒子形成是大气中气溶胶粒子的主要来源，它能间接地影响全球气候变化以及人类健康。本项研究主要利用物理化学手段，基于实验和量子化学计算，从分子层次角度出发，研究硫酸-水-胺在成核阶段的变化规律，获得它们详细的成核机理。本项目获得的主要研究结果如下：.1）.通过研究(H2SO4)n(CH3NHCH3)m (n, m=1~8)团簇的结构和热力学特性，我们第一次把质谱数据与结构搜索算法结合在一起，使硫酸二甲胺分子团簇结构的搜索效率大大提高，我们搜索的结构中发现了比之前研究成果中更低的能量结构，而我们使用这些更低的能量构型通过改进的团簇动力学模型，模拟的团簇分子浓度和形成速率与文章中实验数据吻合得很好。.2）.我们使用PW91PW91 / 6-311 ++ G（3df, 3pd）第一次研究了(NH3)(CH3NH2)(H2SO4)m(H2O)n (m = 1-3, n = 0-4)四元团簇的稳定几何结构和热力学属性。我们发现在无水和有水团簇中质子转移从H2SO4分子转移到CH3NH2分子比到NH3分子更容易，更能促使团簇稳定。.3）.为了有效地捕获硫酸-胺成核体系中生成的分子团簇信息，我们使用电喷雾电离源对硫酸-胺体系进行了有效的软电离， 并且成功测得了硫酸-胺成核过程中的团簇信息，我们是国际上第一个使用电喷雾电离源对成核体系进行研究的小组，该过程可以看成是成核过程的逆过程，所以电喷雾电离源技术可以成为研究成核机理的有效工具。.4）.我们将体系从单种碱和硫酸成核拓展到两种碱和硫酸的成核，三元成核扩大到四元成核，研究了无机氨和有机胺协同作用对硫酸水成核的影响，湿度依赖以及不同尺寸团簇的蒸发规律，我们发现，在(NH3)(CH3NH2)(H2SO4)m(H2O)n (m = 1−3, n = 0-4)团簇内，硫酸上的质子优先转移到甲胺上促进了团簇的稳定。