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圖1 大氣有機胺在不同硫酸濃度氣溶膠界面的胺鹽轉(zhuǎn)化反應(yīng)機理示意圖
 

　　在國家自然科學(xué)基金項目(批準(zhǔn)號：42020104001，41907184，41731279)等的資助下，廣東工業(yè)大學(xué)安太成教授科研團隊與美國賓夕法尼亞大學(xué)約瑟夫·弗朗西斯科(Joseph S. Francisco)教授科研團隊合作，在大氣有機胺的硫酸氣溶膠界面化學(xué)反應(yīng)機理的理論計算方面取得進展。研究結(jié)果以“有機胺在氣相-顆粒物界面上快速轉(zhuǎn)化為胺鹽的機制(Mechanism for Rapid Conversion of Amines to Ammonium Salts at the Air-Particle Interface)”為題，于2020年12月31日在Journal of the American Chemical Society (《美國化學(xué)會志，JACS》)雜志上發(fā)表。
 

　　活性有機物和硫酸形成的有機硫酸鹽是氣溶膠酸性物種的重要組成部分，既占據(jù)總有機質(zhì)含量的30%，又很大程度決定了大氣細顆粒物(PM2.5)的酸度、化學(xué)組分以及毒性。因此，針對大氣有機胺這一重要的堿性揮發(fā)性有機物和大氣新粒子形成與生長的重要前驅(qū)體，揭示其在硫酸氣溶膠表面的胺鹽轉(zhuǎn)化機制，特別是氣相和顆粒相分配過程，對正確評估有機胺對大氣細顆粒物生長的貢獻具有重要科學(xué)意義。
 

　　中美兩國科學(xué)家以甲胺、二甲胺和三甲胺等小分子量脂肪胺為大氣有機胺代表，從原子角度系統(tǒng)闡明了硫酸氣溶膠表面質(zhì)子傳遞的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)機制。此研究利用玻恩–奧本海默分子動力學(xué)方法(BOMD)模擬發(fā)現(xiàn)：在高質(zhì)量濃度硫酸條件下，界面水分子促進小分子脂肪胺與水合氫離子發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，使目標(biāo)大氣脂肪胺迅速轉(zhuǎn)化為胺鹽(轉(zhuǎn)化時間<4×10-12s)；然而在低質(zhì)量濃度硫酸條件下，小分子脂肪胺進行可逆的水解反應(yīng)的概率與酸堿中和反應(yīng)相當(dāng)，促使不穩(wěn)定的胺根離子-氫氧根離子對的形成，從而顯著延緩胺鹽的轉(zhuǎn)化速率(轉(zhuǎn)化時間延長至1~6×10-11 s)。結(jié)果導(dǎo)致高質(zhì)量濃度硫酸情況下胺鹽在硫酸氣溶膠界面轉(zhuǎn)化的速率比低質(zhì)量濃度硫酸情況下快2.5~15倍，從而促使其在高質(zhì)量濃度硫酸情況下氣溶膠質(zhì)量的快速增加。此外，結(jié)合經(jīng)典分子動力學(xué)(MD)和量子化學(xué)(QC)理論研究方法，明確了低質(zhì)量硫酸濃度條件下氣溶膠界面內(nèi)水分子間復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)是導(dǎo)致胺鹽轉(zhuǎn)化速率慢的根本原因。
 

　　本成果對研究有機胺促進含其他酸性種子(如硝酸和有機酸)的大氣顆粒物的界面形成與生長機制也具有借鑒意義。