近日，該校曾曉成教授和美國化學學會前主席JosephFrancisco院士研究組，通過第一性原理分子動力學模擬研究發(fā)現(xiàn)了硫酸氫銨在大氣中一種全新的形成機制。成果作為通訊文章發(fā)表在《美國化學會志》上，并被美國化學學會《化學與工程新聞》2月8日選為熱點文章報道。
2015年入冬以來，中國北方嚴重霧霾天數(shù)增多，導致對人體健康的危害加劇。霧霾顆粒的組成成分非常復雜，其中PM2.5對人體和環(huán)境有著嚴重影響，從而受到廣泛的關注。而銨鹽是PM2.5霧霾顆粒的重要組成成分，并有觀點認為其對PM2.5霧霾顆粒的成核起著至關重要的作用。然而由于分子水平上銨鹽形成機理以及微觀PM2.5成核機理還不完全清楚，氨氣對霧霾顆粒形成的影響沒有受到廣泛關注。因此，研究銨鹽形成的微觀機理對理解大氣中霧霾顆粒的形成機理，進而為減輕嚴重霧霾天氣提供科學指導有著非?，F(xiàn)實而緊迫的意義。
對于銨的硫酸鹽在大氣中的形成，傳統(tǒng)研究觀點認為，三氧化硫先與水反應形成硫酸，再進一步與氨氣反應產(chǎn)生銨的硫酸鹽。然而在最新研究中，曾曉成和Francisco小組利用第一性原理分子動力學模擬研究首次發(fā)現(xiàn)，氨氣可直接參與到三氧化硫與水的反應中。他們在模擬中直接觀測到氨氣分子和三氧化硫分子在水團簇中自發(fā)反應形成硫酸氫銨的過程。在反應過程中，氨氣和三氧化硫與水團簇形成一種特殊的環(huán)狀結構。該環(huán)狀結構的形成極大地促進了水分子中氫原子向氨氣分子的轉移，從而形成銨根離子。而同時氫氧根則很快與三氧化硫分子結合形成硫酸氫根。通過進一步反應過渡態(tài)搜索，確認了反應路徑，他們發(fā)現(xiàn)三分子水團簇中第三個水分子的存在有助于環(huán)狀結構的形成，而該環(huán)狀結構能將反應能壘降至幾近為零，從而大大增加了硫酸氫銨在大氣水團簇中的形成速度。曾曉成和Francisco小組在納米水滴表面也觀測到了同樣的反應機理。
這種新型近零勢壘反應機理的發(fā)現(xiàn)表明，氨氣可以直接參與并加速大氣中銨鹽的形成，從而對大氣中霧霾顆粒的形成也起到至關重要的作用。該理論研究提出的新型環(huán)狀結構導致的氫原子轉移機制，有望為研究大氣云層中的化學反應和霧霾顆粒的成核機理提供理論模型和指導。
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