第七届青年地学论坛

大气颗粒物能够影响能见度、人类健康以及气候。由气-粒转变(新粒子生成(NPF)过程)形成的二次颗粒物贡献全球颗粒物总粒子数的一半以上。目前认为气态硫酸(SA)是成核的关键前驱体，然而仅由基于SA的成核并不能解释实际观测的成核速率。近期发现在只有天然源SO₂的理想条件下，大气中甲磺酸(MSA)驱动的成核对大气颗粒物形成的贡献与SA相当。随着世界范围内对SO₂排放的严格管控，MSA驱动成核对大气颗粒物的形成将起着重要作用。由于MSA-H₂O的二元成核效率极低，MSA对大气颗粒物形成的贡献将取决于其他大气成核前驱体的促进效应。因此，为深入理解MSA驱动的新粒子形成，亟待鉴别高效促进MSA成核的物种。
有机胺作为大气中重要的有机碱，可能通过酸-碱反应形成稳定的分子团簇促进MSA成核。已有研究表明，在基于SA的成核中具有促进效应的甲胺(MA)、二甲胺(DMA)也能促进MSA成核。但是，气相碱性更高、促进SA成核潜力更强的DMA，在基于MSA成核中其促进潜力低于MA(Chen Haihan等, 2016)。这表明评判有机胺促进MSA成核潜力的影响因素与在基于SA的成核中有所差异，不能仅仅依据有机胺的气相碱性判断，还要考虑具体的分子结构。因此，为了鉴别高效促进MSA成核的有机胺前驱体，首先需要揭示影响有机胺促进MSA成核潜力的分子结构特性因素。
本研究结合量子化学计算和大气团簇动力学模拟，从分子水平考察有机胺促进MSA成核机制。首先，通过对比DMA-MSA和MA-MSA成核体系，发现在成核初始阶段有机胺碱性仍然是决定其促进MSA成核潜力的主导因素。随团簇尺寸增大，DMA的-CH₃基团表现显著的空间位阻效应，连同DMA弱的氢键形成能力，导致DMA团簇相比于MA团簇不易继续长大。因此，空间位阻作用和氢键形成能力是影响有机胺促进MSA成核潜力的重要结构因子；基于该发现分析大气中检出的其他有机胺，发现乙醇胺(MEA)相比于已知促进MSA成核能力最强的MA具有更强的气相碱性和氢键形成能力。此外，MEA作为CO₂捕捉和化工行业中广泛使用的原料，具有重大的潜在排放源且已在颗粒物中检出，推测其在新粒子生成过程中可能扮演重要角色。研究结果表明，MEA促进MSA成核的潜力超过MA，可能是目前已知促进MSA成核潜力最强的有机胺。本研究首次提出气相碱性、空间位阻作用和氢键形成能力三者共同调控有机胺促进MSA成核潜力的机制，并发现一种比已知促进潜力最强的MA更强的有机胺MEA。研究结果对于丰富成核理论以及评估有机胺参与MSA成核对颗粒物形成贡献具有重要意义。
 

有机胺,甲磺酸,成核机制