大气中有机胺和氨气协同作用下酸性气体成核机理的量子化学研究

New particlel formation is one hot topic in atmospheric science. Nucleation is the initial and key step of new particlel formation. The essence of nucleation is the formation of molecular clusters from acidic gases and base gases via hydrogen bongs. Proton transfer plays a crucial role in this progress. Amine and ammonia are found to be the important base precursors in aerosol nucleation. Currently, nucleation from the separate role of amine and ammonia on acidic gases has been widely studied. However, the synergistic action of amine and ammonia on acidic gases are not well understood. This project intends to use high-level quantum chemical calculations and molecular modeling methods to systematically study the multiple nucleation mechanisms from the synergistic action of amine and ammonia on organic acids and sulfuric acid at the molecular and atomic level. By the simulation, the structural information, energy information, topology information and equilibrium constants of the formed molecular clusters are given to assess the contribution of synergistic action from different amines and ammonia in atmospheric nucleation, compare the role of synergistic action in neutral nucleation and ion induced nucleation, clarify the effect of water molecular and determine the chemical composition and particle size of the critical nucleus. This knowledge is significant to provide a strong theoretical basis and technological support for the effective control of secondary organic aerosol pollution and environmental legislation.

新粒子形成已经成为大气科学的研究热点之一，成核是新粒子形成的起始和关键步骤。成核的实质是大气中酸性气体和碱性气体通过分子间氢键作用形成分子团簇的过程，质子转移在其中发挥重要作用。研究发现有机胺和氨气是气溶胶成核的重要碱性前体物。目前对有机胺和氨气单独作用酸性气体的多种成核机制有一定研究，但对于二者协同作用下酸性气体的成核机制尚不明确。因此本项目拟采用量子化学计算和分子模拟的方法研究有机胺和氨气协同作用下硫酸和有机酸参与的多种成核机制，从分子和原子上水平上研究成核稳定团簇的结构信息、能量信息、拓扑结构信息和平衡常数等。评价不同有机胺和氨气协同作用对成核的贡献，比较有机胺和氨气协同参与的中性成核和离子诱导成核的异同，阐明水分子对质子转移和团簇稳定性的影响，确定临界核的化学组成及粒径大小。期望通过本项目的研究，为有效控制二次有机气溶胶污染和环境立法提供强有力的理论依据和科技支撑。

新粒子生成事件导致超细颗粒物浓度急剧增加，是大气颗粒物的重要来源，也是认识和控制我国区域大气复合污染的关键科学问题之一。近年来引起了人们的广泛关注。探索气溶胶形成机理对于防治细颗粒对健康的不良影响至关重要。研究发现氨气和有机胺等是气溶胶成核的重要前体物，能够有效参与到成核初期。因此本项目采用量子化学计算和分子模拟的方法通过研究有机胺(如酰胺、脂肪胺)、有机酸(如芳香酸、蒎酮酸)和其他有机物(如醛类物质、过氧化物)与大气中常见成核前体物(硫酸、氨气、水等)之间的分子间相互作用，尤其是形成团簇中的氢键作用，阐明了这些物质对硫酸成核的影响。并且探讨了水滴界面对气溶胶形成的影响。主要结论如下：.(1) 在新粒子形成初期，酰胺稳定硫酸的能力比NH3强，但比甲胺弱；并且硫酸的成核能力大于有机酸。其中氢键作用在团簇形成过程中具有重要意义，尤其是强氢键结合基团的数量在决定物质成核能力方面起着至关重要的作用。.(2) 水分子对酰胺类化合物、醛类产物等参与的新粒子形成有增强作用，从而降低成核壁垒，推动成核过程的发生。.(3) 水、硫酸、氨气和有机胺等物质还能够在大气化学反应中起到催化作用，并且该大气反应的产物可能对参与新粒子的形成与生长影响更甚。.(4) 气液界面上，水分子能够起到介导作用，加速反应发生，在ps时间尺度内就可完成，为新粒子形成机制提供了新的视角。