Fluolab
Search K

切换日光/暗黑模式

【JACS】矿物微滴气溶胶界面介导的羟基自由基生成：大气化学的新发现 ​

简介 ​

研究揭示了矿物微滴气溶胶在太阳辐射下触发快速羟基自由基（·OH）生成的机制。通过对高岭土微滴气溶胶的实验研究，发现其·OH 生成速率显著高于传统的体相反应。 image.png

摘要 ​

羟基自由基（·OH）在大气化学中起着关键作用，调节氧化潜力和气溶胶成分。本研究揭示了一种前所未有的·OH 来源：含矿物质的微滴气溶胶。实验表明，高岭土颗粒在微滴气溶胶中在太阳辐射下触发快速·OH 生成，速率达到 10⁻³ M s⁻¹，远高于体相反应的 2.4 × 10⁻¹¹ M s⁻¹。研究发现，空气-水-固体界面的强电场显著延长了光生空穴的寿命，从而增强了·OH 的生成。进一步研究了环境因素和气溶胶性质对·OH 生成的影响，包括光强、相对湿度、颗粒大小和 pH 值。研究结果为理解矿物质微滴气溶胶介导的大气光化学过程提供了新见解，对空气质量和气候具有深远影响。

研究细节 ​

反应开发 ​

  • 实验装置：使用雾化器和 RH 控制的定制流动反应器，配备光源和高效液相色谱（HPLC）测量系统。
  • 反应条件：在 NaCl 和 (NH₄)₂SO₄微滴气溶胶中进行反应，光强为 0.617 mW cm⁻²，反应时间为 150 分钟。
  • 结果：在高岭土-NaCl 微滴气溶胶中，·OH 浓度达到 54 μM，在高岭土-(NH₄)₂SO₄微滴气溶胶中达到 80 μM，显著高于体相反应中的 1.12 μM 和 0 μM。

image.png

环境因素影响 ​

  • 光强：光强增加促进了电子-空穴对的生成，·OH 产率随光强增加而显著提高。
  • 相对湿度（RH）：在 55-75% RH 范围内，·OH 浓度随 RH 增加呈指数增长，在高 RH 条件下，·OH 产率显著降低。
  • 颗粒浓度：高岭土浓度增加至 30 g L⁻¹时，·OH 产率增加，但进一步增加浓度会导致光透过率降低，从而减少·OH 生成。
  • 微滴尺寸：微滴直径减小，·OH 浓度显著增加，表明微滴气溶胶的高表面积-体积比和丰富的空气-水界面促进了反应。 image.png

气溶胶性质影响 ​

  • 离子强度：离子强度增加，·OH 产率先增加后减少，表明离子强度对气溶胶化学过程有显著影响。
  • pH 值：在 pH 3.0-4.0 范围内，·OH 产率增加，但在 pH 4.0-7.0 范围内，·OH 产率下降，表明 pH 值对矿物质微滴气溶胶的物理化学性质有显著影响。 image.png

结果与讨论 ​

  • 光生化学反应：高岭土中的 TiO₂和 Fe₂O₃在光照下产生 ROS，显著增强了·OH 生成。
  • 界面电场效应：空气-水-固体界面的强电场抑制了光生电子-空穴对的复合，延长了光生空穴的寿命，从而促进了·OH 生成。
  • 反应机理：通过自由基淬灭实验和 ESR 分析，确定了·OH 生成的主要反应路径，包括直接氧化 H₂O 和电子-空穴对的光生化学反应。
  • 环境因素影响：光强、相对湿度、颗粒浓度和微滴尺寸等环境因素显著影响·OH 生成，表明这些因素在大气光化学过程中具有重要作用。

image.png

image.png

这项研究展示了矿物微滴气溶胶在大气化学中的重要作用，为未来的空气质量和气候研究提供了新的思路和方法。详细信息可以在这里找到。

参考文献 ​

Yang, L.; Liu, Y.; Ge, Q.; Wang, J.; Wang, R.; You, W.; Wang, W.; Wang, T.; Zhang, L. Atmospheric Hydroxyl Radical Route Revealed: Interface-Mediated Effects of Mineral-Bearing Microdroplet Aerosol. J. Am. Chem. Soc. 2025, jacs.4c14149. https://doi.org/10.1021/jacs.4c14149.