大气气溶胶三元成核体系的实验及理论研究

New particle formation is a global phenomenon that can impact the nature and amount of clouds through formation of cloud condensation nuclei in the atmosphere. Although aerosol measurement techniques have been developing rapidly, the ability to detect and characterize even charged sub 3 nm (the key point of nucleation stage) clusters remains limited. In all the existing nucleation mechanisms, ternary nucleation theory has received extensive attention. The atmospheric nucleation is multicomponent in nature, and can be described schematically as H2SO4-H2O-X process. While the relevance of the sulfuric acid and water is well-established, the unknown X is yet to be determined and dominant nucleation mechanism/mechanisms in the Earth’s atmosphere are yet a subject of ongoing debates. Therefore, this research mainly through physical chemical methods, using mass spectrometry and aerosol nucleation photoelectron imaging device and combined with high accuracy quantum chemistry calculations to symmetrically study the various aerosol ternary nucleation systems from the molecular perspective. Our research aims to study the stability and the effect of the different amines, organic matters and associated ions on the H2SO4-H2O nucleation rates during the nucleation processes. Through analyzing the physical chemistry processes of each system, we want to explore the geometry structures, electronic structures, chemical compositions, thermodynamic properties, and dynamic properties of the ternary nucleation systems. This research will not only help to understand the formation and influencing factors of atmospheric ternary nucleation, but also lay a foundation to improve and complete the ternary nucleation mechanisms.

新粒子的生成是大气中颗粒物和云凝结核的重要来源。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，而对最关键的生成临界核的成核阶段(<3 nm)还缺乏系统的研究。在目前已有的成核机制中，三元成核的重要性得到确认，可以用H2SO4-H2O-X的表达式来描述，尽管H2SO4-H2O在成核中的作用已被广泛接受，但是X在成核机理中的作用仍然存在着争议，对控制成核现象的X的特性还没有一个清晰的理解。因此，本项研究主要利用物理化学的手段，采用质谱和光电子成像装置结合高精度量子化学计算方法，从微观角度对三元成核体系进行系统的研究，旨在研究不同胺类、有机物以及相关离子对H2SO4-H2O团簇的稳定性及成核速率的影响，得到不同三元成核体系的结构、热力学属性、动力学属性等。本课题的研究，不仅能够深入研究大气成核体系的形成过程和影响因素，还能够为三元成核机理的完善奠定一定的基础。

新粒子生成是低挥发性可凝结气态前体物从气态向颗粒态转化的主要形式之一，是全球颗粒物和云凝结核的重要来源，但由于现有检测手段的限制，针对新粒子生成机制的研究仍然存在较大的不确定性，虽然有研究结果表明有机物可能会作为前体物有效地参与成核过程，但是关于具体有机物的种类还存在着较大的争议。本项目主要利用物理化学的手段，采用实验与高精度量子化学计算相结合的方法，改进及搭建了质谱-流动管实验平台，从微观角度出发，对大气中广泛存在的物质促进新粒子生成的过程进行了系统的研究，研究过程涉及了多个二元成核体系及三元成核体系，获得了不同的有机胺（甲胺、二甲胺、三甲胺等）、有机酸（草酸、甲磺酸、氨基酸等）以及相关空气离子（氨根离子、溴离子、碳酸氢根离子、甲磺酸根离子等）等对成核前体物（硫酸，水，氨等）形成团簇的稳定性及成核速率的影响，得到了不同成核体系的几何结构、电子结构、化学组成、热力学属性、动力学属性等。在开展的系列研究中发现，非共价体系中，质子转移决定了团簇的稳定程度，离子诱导成核和中性均相成核在团簇形成过程中处于竞争状态，探明了不同的反应体系中，对气溶胶成核速率表现出了不同的影响趋势。本项目的开展，不仅能够深入研究大气成核体系的形成过程和影响因素，还能够为成核机理的完善奠定一定的基础。