有機酸在氣溶膠多種成核機制中作用機理的理論研究

《有機酸在氣溶膠多種成核機制中作用機理的理論研究》是依託山東大學，由徐菲擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：有機酸在氣溶膠多種成核機制中作用機理的理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐菲
• 依託單位：山東大學

中文摘要

氣溶膠對環境空氣品質、大氣能見度、人體健康和氣候變化等具有重大影響，特別是近年來霧霾污染已成為中國嚴重的環境問題之一。霧霾問題的實質是氣溶膠污染問題，而成核是氣溶膠形成的關鍵步驟。氣溶膠的成核是通過氫鍵、鹵鍵及質子傳遞等相互作用形成分子團簇的過程。有機酸在大氣中廣泛存在，在氣溶膠常見的成核機制如中性成核、離子感應成核以及碘氧化物成核中都起到至關重要的作用。然而目前由於受儀器限制有機酸參與成核的微觀機理尚不清楚，實驗和觀測結果不統一，嚴重影響氣溶膠的污染控制。本項目擬採用高水平量子化學計算和分子模擬的方法系統地研究有機酸在不同成核機制中的作用，從分子、原子水平上探索其形成的分子團簇的結構信息、能量信息、相互作用機理及平衡常數等，並確定臨界核的化學組成及粒徑大小。期望通過本項目的研究，為有效控制二次有機氣溶膠污染，以及治理大氣灰霾污染和環境立法、環境規劃，提供強有力的理論依據和科技支撐。

結題摘要

本項目選擇了常見有機酸、醛酮類、醯胺類、碘氧化物等為研究對象，系統地研究了它們和氣溶膠成核常見前體物如(如硫酸、水、氨、有機胺等)成核的構型參數、熱力學數據、平衡常數、拓撲結構等，構建了團簇最低能量構象搜尋方法，比較了不同的有機物種對成核的貢獻，研究結果為有效控制二次有機氣溶膠污染，以及治理大氣灰霾污染和環境立法、環境規劃，提供了重要的數據支撐。主要研究結果如下： (1) 構建了團簇最低能量構象搜尋的方法。採用了Basin-paving 蒙特卡洛計算和模擬退火相結合的方法尋找分子團簇的最低能量構象，並進一步用密度泛函(DFT)方法在高基組下確定能量最低構象。經測試本方法能重現文獻中的構型數據，並課找到更穩定的構象，方法有效可行。 (2) 探究了常見直鏈一元酸、二元酸、含苯環的有機酸、過氧化物類、醯胺類等有機物種和大氣常見成核前體物硫酸、水、氨氣、有機胺的成核作用。結果表明隨著碳鏈的增長成核有機酸的成核能力減弱；有機胺和氨氣協同參與對成核有促進作用；醯胺類部分比氨氣和有機胺的成核能力更強。 (3) 明確了水分子的水合作用對成核的影響。計算了硫酸/丁二酸和氨氣/二甲基胺分別被0-6個水分子水合的成核機理，發現質子轉移對團簇起到穩定化的作用，當硫酸沒有被水合，二甲基胺/氨氣被6個水分子水合的反應性最強。當丁二酸和二甲基胺/氨氣分別被3個水分子水合的和時候反應的吉布斯自由能變化量最大。 (4)發現了鹵鍵在碘氧化物成核過程中的重要作用。計算了碘氧化物和水、氨氣、有機酸、硫酸的成核，並與碘氧化物自身成核作了對比。研究發現同時含有鹵鍵和氫鍵的團簇比只含有氫鍵的團簇更穩定，且碘氧化物自身的成核比和前體物的成核能力強。 (5)查明了醛酮類有機物和相應產物參與成核的可能性和成核機制，發現雖然小分子醛酮類物質很難直接參與到成核的過程中，它們的一水合物或者羥醛縮合產物能夠較容易的參與到成核的增長過程當中，甚至有可能參與成核的最初始階段(小於1nm)的階段。