有机物协同参与气溶胶成核本质的研究

Aerosol has a great influence on our environment and human health. However, the fundamental chemical processes responsible for the aerosol nucleation remain poorly understood. In the present project, the nature of the synergistic effect for organics on the atmospheric aerosol nucleation will be investigated by quantum chemical calculations and molecular dynamics simulations. A series of important organic compounds in the atmosphere, which may have the potential to enhance the atmospheric aerosol nucleation, will be selected. On the basis of the strength of the interaction between the organic species and aerosol nucleation precursors(manily H2SO4 and H2O), combining the thermodynamic data of the prenucleation clusters with different sizes, the possibility of these organic species to enhance the nucleation process can be estimated. Then from the the transformation process of the electronic structures for the prenucleation clusters and the bonding nature between organic species and aerosol nucleation precursors, the nature of the actual nucleation mechanism for organic aerosols will be resolved. The purpose of this study is to help the researchers to know the actual aerosol nucleation mechanism in the polluted area as well as for the developing atmospheric organic nucleation models. At the same time, the results of this project can provide theoretical clues to solve the environmental problems, such as haze, respirable particulates etc.

气溶胶对大气环境和人类健康有重大影响，但目前对其成核机制还不甚清楚。本申请拟选取大气中可能协同参与气溶胶成核的重要有机物为研究对象，将量子化学计算和第一性原理分子动力学模拟相结合, 通过计算并分析形成不同尺寸团簇时，各类有机物与成核前驱体(主要是硫酸和水)之间作用力的强弱及其化学本质，结合团簇的热力学参数以及团簇的电子结构随时间演变的过程，判断各类有机物是否可以协同参与气溶胶成核。同时结合此类有机物的结构特点及其团簇的成键规律，揭示有机物协同参与气溶胶成核的本质, 以期为建立有机物协同参与气溶胶成核模型，揭示污染地区气溶胶成核机制，解决污染地区可吸入颗粒物增多、雾霾频发等环境问题提供理论线索。

气溶胶对大气环境和人类健康有重大影响，但其成核机制，尤其是有机物参与的成核机制尚不清楚。近期研究表明，有机物对气溶胶成核速率有很大影响，其有机物成分以及参与成核的机制有待进一步揭示。本课题系统研究了一系列大气中重要有机物参与的气溶胶成核机制，研究发现：.（1）以乳酸、乙醇酸为代表的醇酸，在低温下（<240K）可以促进气溶胶成核，其参与成核的机制类似“catalyst”。醇酸对气溶胶团簇形成速率的促进强度与其浓度呈正相关，与硫酸浓度呈负相关。同时，促进强度随着氨（或胺）浓度增加呈现先增加后降低的趋势。.（2）丙二酸在低温下（<240K）可以促进气溶胶成核，但其在相同条件下，对成核速率的促进强度比醇酸强。促进强度随大气条件变化与醇酸呈现类似的规律，其参与成核的机制同样类似“catalyst”。.（3）羟基磺酸和氨基磺酸在常温下即可促进气溶胶成核，其参与成核的机制为“participator”。其对成核速率的促进强度与其浓度呈正相关，与硫酸浓度呈负相关，但却随着二甲胺的浓度增加呈现先增加后降低的趋势。.（4）乙醛酸可在低温下促进气溶胶成核，但其成核过程中，除与前驱体之间通过氢键形成团簇之外，还伴随着发生水化反应生成谐二醇，谐二醇再继续参与成核。因此在乙醛酸参与的成核机制中，水化反应的作用不能忽略。.（5）硝酸在较低温度下（240K）也可以参与并促进气溶胶成核，其促进作用在硫酸浓度较低，氨和硝酸浓度较高时比较明显。.（6）理论揭示了中国雾霾颗粒中硫酸盐形成(SO2被NO2氧化)的反应势能面，预测了其反应进行的机制。.以上对气溶胶成核机制的揭示可为建立有机物参与的气溶胶成核模型，揭示污染地区二次气溶胶形成机制，解决污染地区可吸入颗粒物增多、雾霾频发等环境问题提供理论线索。