大氣二次氣溶膠對(duì)灰霾形成有重要貢獻(xiàn)，而灰霾形成過(guò)程中二次氣溶膠快速生成的化學(xué)機(jī)制尚不清楚。從分子水平上理解和闡明二次氣溶膠的形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)灰霾污染形成的核心途徑，確定關(guān)鍵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，解析不同環(huán)境條件下多種污染物的協(xié)同效應(yīng)，發(fā)展適合于我國(guó)環(huán)境的數(shù)值模擬方案，可為我國(guó)以及其它國(guó)家地區(qū)二次氣溶膠污染的治理提供科學(xué)支撐。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所分子動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室葛茂發(fā)課題組在我國(guó)灰霾期間二次氣溶膠快速生成化學(xué)機(jī)制研究方面取得系列進(jìn)展。研究通過(guò)模擬研究不同濕度和SO₂濃度下甲苯光氧化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的大氣環(huán)境條件對(duì)二次有機(jī)氣溶膠的化學(xué)組成和光學(xué)特性具有顯著影響，SO₂和高濕的復(fù)合作用可顯著提高甲苯生成SOA的光吸收效率和消光效率（Atmos. Chem. Phys.）。通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)展不同結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)鏈烷烴與OH自由基氧化過(guò)程研究，獲得系列反應(yīng)速率常數(shù)和氣相產(chǎn)物，進(jìn)一步解析濕度、溫度等不同環(huán)境條件下生成二次有機(jī)氣溶膠的機(jī)制及其環(huán)境影響，發(fā)現(xiàn)了低溫條件下促進(jìn)氣溶膠相高聚物的生成，揭示了其對(duì)冬季二次有機(jī)氣溶膠生成的重要貢獻(xiàn)（Atmos. Chem. Phys.）。

近日，課題組在冬季灰霾時(shí)期硫酸鹽生成機(jī)制研究方面取得進(jìn)展，揭示了硫酸鹽爆發(fā)增長(zhǎng)的界面催化反應(yīng)機(jī)制。研究人員利用自主研發(fā)的模擬實(shí)際大氣條件的煙霧箱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)氣溶膠表界面錳離子可以快速催化氧化二氧化硫，并觀察到在冬季低溫條件下存在的高離子強(qiáng)度對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)效應(yīng)，從而提出氣溶膠表界面催化的硫酸鹽新機(jī)制：二氧化硫與氧氣在含有錳離子的氣溶膠的表界面發(fā)生快速的錳催化氧化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為硫酸鹽并溶于氣溶膠液相之中，同時(shí)伴隨著銨鹽的生成。區(qū)別于傳統(tǒng)液相反應(yīng)，表界面反應(yīng)在實(shí)際大氣環(huán)境條件的約束下，仍具有較高的硫酸鹽生成速率。同時(shí)，三維空氣質(zhì)量模型對(duì)我國(guó)華北平原2015年和2016年冬季污染過(guò)程模擬結(jié)果表明，耦合入氣溶膠表界面錳離子催化氧化機(jī)制后，華北平原冬季污染時(shí)期硫酸鹽的模擬結(jié)果得到改善，該途徑貢獻(xiàn)量占據(jù)了92.5%的總硫酸鹽生成量。同期外場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果也證實(shí)氣溶膠表界面錳催化反應(yīng)途徑在實(shí)際大氣中對(duì)于硫酸鹽生成的重要性。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部和中科院的支持。北京大學(xué)、中科院地球環(huán)境研究所、中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院、中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站、北京理工大學(xué)、中科院大氣研究所、浙江大學(xué)、北京師范大學(xué)等單位參與研究。

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氣溶膠表界面錳催化反應(yīng)主導(dǎo)灰霾期間硫酸鹽的快速生成