中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心大氣環(huán)境研究室賀泓研究組在分子氧對黑碳的光化學(xué)老化研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際著名綜合性期刊《美國國家科學(xué)院院刊》上(PNAS, 2012, 109(52), 21250-21255)。
黑碳起源于化石和生物質(zhì)燃料的不完全燃燒，其化學(xué)成分主要由元素碳和有機(jī)碳組成。黑碳?xì)馊苣z能夠?qū)е抡妮椛鋸?qiáng)迫，并且明顯降低大氣能見度，因而有著非常重要的環(huán)境和健康效應(yīng)。黑碳進(jìn)入大氣后與活性氣體組分發(fā)生非均相老化反應(yīng)，一方面導(dǎo)致大氣層化學(xué)組成的改變，另一方面還將影響黑碳的組成、形貌和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響黑碳的環(huán)境和健康效應(yīng)。
賀泓研究組的工作發(fā)現(xiàn)了太陽光能夠激發(fā)空氣中分子氧對黑碳的老化過程；確定了黑碳表面的有機(jī)碳是分子氧對黑碳光化學(xué)老化過程中的主要活性組分；有機(jī)碳由多環(huán)芳烴和脂肪烴組成，并在光化學(xué)老化過程中被轉(zhuǎn)化成醌、酮、醛、內(nèi)酯和酸酐等含氧物種；不同燃燒條件可以改變黑碳表面的有機(jī)碳含量及其氧化態(tài)，進(jìn)而影響黑碳的光化學(xué)氧化活性；在光照強(qiáng)度25 mW cm-2條件下，黑碳表面有機(jī)碳物種在20%氧氣氣氛下的反應(yīng)速率是100ppb臭氧氣氛下的反應(yīng)速率的1.5-3.5倍，凸顯了黑碳光化學(xué)氧化的重要性。
另外，光化學(xué)氧化將顯著影響黑碳的環(huán)境效應(yīng)。例如，各種含氧極性物種的生成將提高黑碳作為云凝結(jié)核和冰核的能力，從而影響降水并減少黑碳在大氣中的壽命；老化后的黑碳在波長200-700nm范圍內(nèi)的光吸收能力有所增強(qiáng)，這將影響大氣層輻射強(qiáng)迫以及一些氣體的光化學(xué)反應(yīng)。
該研究組近期系統(tǒng)研究了黑碳的大氣老化過程。例如，確定了黑碳的親水性、組成與燃燒條件和黑碳結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；考察了黑碳結(jié)構(gòu)和吸濕性在O3老化過程中的變化，發(fā)現(xiàn)了黑碳的微觀結(jié)構(gòu)對O3活性的影響機(jī)制；確定了太陽光對黑碳NO2老化的促進(jìn)作用。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12(36):10896–10903; J. Phys. Chem. A, 2012, 116,4129−4136; J. Chem. Phys., 2012, 137, 084507; Atmos. Environ., 2013, 64, 270-276。
該項工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B“灰霾追因與控制”和國家自然科學(xué)基金的支持。
