揮發(fā)性有機(jī)物形成光化學(xué)煙霧的分子機(jī)理

崔剛龍、張鳳、方維海 北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，教育部理論及計算光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室 中國科學(xué)與技術(shù)大學(xué)，國家同步輻射重點(diǎn)實(shí)驗室

揮發(fā)性有機(jī)物形成光化學(xué)煙霧的分子機(jī)理

崔剛龍1、張鳳2、方維海1
1 北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，教育部理論及計算光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室2 中國科學(xué)與技術(shù)大學(xué)，國家同步輻射重點(diǎn)實(shí)驗室

大氣污染是人類無法逃避、日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題，威脅著億萬民眾的健康和生活環(huán)境。從分子水平上理解大氣二次污染物形成機(jī)理是預(yù)防、控制和治理大氣污染的重要基礎(chǔ)。在這方面，基于電子結(jié)構(gòu)計算和動力學(xué)模擬的理論研究有其獨(dú)特的優(yōu)勢。由于機(jī)理過程涉及光誘導(dǎo)的超快反應(yīng)，如何開展多尺度計算模擬，目前還面臨諸多挑戰(zhàn)。在擬開展的工作中，我們將發(fā)展和應(yīng)用高精度的量子化學(xué)計算方法、非絕熱的速率和動力學(xué)理論；建立適合大氣復(fù)雜環(huán)境的量子力學(xué)和分子力學(xué)組合的計算模型；研究系列揮發(fā)性有機(jī)物形成光化學(xué)煙霧的分子機(jī)理，發(fā)現(xiàn)并解決光化學(xué)煙霧形成過程中的一些重要的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題，為預(yù)防、控制和治理大氣光化學(xué)污染提供理論依據(jù)和有意義的指導(dǎo)。

空氣污染已經(jīng)成為全世界居民生活中一個無法逃避的問題，威脅著億萬民眾的健康和生活環(huán)境。改革開放30多年來，中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長和日益加快的城市化進(jìn)程，也讓空氣污染問題變得越來越嚴(yán)重。

空氣污染是大氣中污染物濃度達(dá)到一定有害程度，破壞生態(tài)系統(tǒng)和人類正常生活條件，對人和物造成危害的現(xiàn)象。空氣污染物的種類繁多，按照產(chǎn)生方式的不同主要分為一次和二次污染物。一次污染物指直接從污染源排放的污染物質(zhì)，比如煤炭燃燒和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的粉塵、灰塵、二氧化硫等，以及機(jī)動車排放的氮氧化物、碳?xì)浠衔锏取６挝廴疚镏概欧诺綄α鲗又械囊淮挝廴疚镌诖髿庵邪l(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者光化學(xué)反應(yīng)形成的新的、毒性更強(qiáng)的污染物，光化學(xué)煙霧就是其中的一種。

光化學(xué)煙霧是指對流層中的碳?xì)浠衔铩⒌趸铩]發(fā)性有機(jī)污染物等，在陽光的作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧、過氧乙酰硝酸酯、醛、酮、自由基、有機(jī)和無機(jī)酸等二次污染物產(chǎn)生的混合污染。光化學(xué)煙霧的最早認(rèn)識來源于著名的“洛杉磯煙霧事件 ”。上世紀(jì)40年代，洛杉磯出現(xiàn)大量淡藍(lán)色煙霧，持續(xù)多天，誘發(fā)了一系列疾病，比如眼睛紅腫、流淚等，并造成大量人員死亡。此后，在北美、日本、澳大利亞和歐洲部分地區(qū)也先后出現(xiàn)類似光化學(xué)煙霧。我國于1972年在蘭州西固石油化工區(qū)首次發(fā)現(xiàn)光化學(xué)煙霧。近30年來，隨著我國城市交通需求和汽車保留量急劇增多，機(jī)動車尾氣污染迅速加重，在一些城市出現(xiàn)光化學(xué)污染的現(xiàn)象日趨增多，嚴(yán)重威脅了當(dāng)?shù)鼐用竦慕】岛蜕睢Ａ硪粋€方面，光化學(xué)煙霧最后生成大量臭氧，會增加大氣的氧化性，導(dǎo)致大氣中的碳?xì)浠衔铩⒌趸铩]發(fā)性有機(jī)污染物被氧化并逐漸凝結(jié)成顆粒物，從而加大了大氣中懸浮微粒顆粒物的濃度，這是造成大氣霧霾的源頭之一。因為光化學(xué)煙霧的危害比一次污染物更加嚴(yán)重，所以如何預(yù)防、控制和治理光化學(xué)煙霧已經(jīng)成為一個全球性的嚴(yán)峻的環(huán)境問題，特別是對于發(fā)展中國家的中國來說。毫無疑問，在提出高效、可行的大氣治理措施前，我們必須首先從源頭掌握光化學(xué)煙霧的形成機(jī)制，尤其是二次氣態(tài)污染物的形成機(jī)制，對癥下藥。

我國的大氣污染問題已經(jīng)十分嚴(yán)峻，有效地改善空氣質(zhì)量需從源頭出發(fā)，了解空氣中存在哪些污染物以及它們之間是如何相互作用產(chǎn)生各種二次污染物及二次氣溶膠的。在提出科學(xué)可行的控制和治理光化學(xué)煙霧污染技術(shù)和措施前，必須從分子水平上理解光化學(xué)煙霧形成的分子機(jī)理。正如芬蘭赫爾辛基大學(xué) Kulmala 教授在《自然》雜志中寫到的，“改善中國城市和家庭中的空氣質(zhì)量需要對空氣污染物之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有更深刻的理解，需要知道有哪些污染物存在以及它們之間如何相互作用產(chǎn)生二次污染。”

光化學(xué)煙霧形成的分子機(jī)理研究是一項難度大且十分復(fù)雜的課題。盡管隨著激光、分子束和時間分辨的超快光譜等現(xiàn)代實(shí)驗技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)驗學(xué)家已能從基元反應(yīng)的層面上討論自由基和光化學(xué)反應(yīng)的微觀機(jī)制，但是，由于實(shí)驗的種種困難和限制，一些重要的微觀反應(yīng)信息比如過渡態(tài)和中間體的電子和幾何結(jié)構(gòu)很難通過實(shí)驗測量，同時實(shí)驗測量大氣條件下的光化學(xué)反應(yīng)以及隨壓力變化的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)也面臨挑戰(zhàn)。因此，僅僅依靠外場檢測和煙霧腔實(shí)驗等，很難在分子水平上理解污染物的形成機(jī)制以及反應(yīng)的動力學(xué)過程，必須依靠高精度的量子化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)計算。在這方面，量子化學(xué)計算體現(xiàn)出了“價值”。它能夠計算過渡態(tài)的性質(zhì)，評判反應(yīng)通道的可行性，也可直觀形象地描述反應(yīng)過程中涉及的短壽命中間體的詳細(xì)信息等。

本項目擬通過理論化學(xué)手段探索大氣揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)形成二次污染物和光化學(xué)煙霧的分子機(jī)理, 以及二次污染物轉(zhuǎn)化成二次有機(jī)氣溶膠的微觀成核機(jī)制(3nm以下)。本項目擬開展的研究課題從屬于“大氣污染成因與控制技術(shù)研究”試點(diǎn)專項。選取“揮發(fā)性有機(jī)物形成光化學(xué)煙霧的微觀機(jī)制”這一有希望取得重大突破的方向，應(yīng)用量子化學(xué)計算、反應(yīng)速率常數(shù)計算和動力學(xué)模擬等理論研究方法探索大氣揮發(fā)性有機(jī)物形成光化學(xué)污染物的分子機(jī)理、反應(yīng)動力學(xué)及大氣微觀環(huán)境效應(yīng)。研究揮發(fā)性有機(jī)物大氣氧化反應(yīng)和形成光化學(xué)污染物的微觀機(jī)制和動力學(xué)，將為研究典型區(qū)域反應(yīng)性有機(jī)物與臭氧的量化研究奠定理論基礎(chǔ)、提供詳實(shí)可靠的理論數(shù)據(jù)、對方向目標(biāo)起到支撐作用。研究內(nèi)容包括：擬發(fā)展考慮勢能常數(shù)計算新方法；發(fā)展適合大氣復(fù)雜微環(huán)境(液滴、顆粒物等)的量子力學(xué)/分子力學(xué)結(jié)合的計算新方法，并編制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的程序包。應(yīng)用發(fā)展的新方法，擬解決以下兩個關(guān)鍵科學(xué)問題：大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物在光化學(xué)作用下形成二次污染物和光化學(xué)煙霧的分子機(jī)理；二次污染物形成二次有機(jī)氣溶膠的微觀成核機(jī)理。

概而言之，光化學(xué)煙霧是人類無法逃避且日趨嚴(yán)重的大氣污染問題，威脅著億萬民眾的健康和生活環(huán)境。從分子水平上理解二次污染物形成的微觀機(jī)理及動力學(xué)機(jī)制是治理大氣污染的重要基礎(chǔ)。在這方面，量子化學(xué)計算和動力學(xué)模擬有著獨(dú)特的優(yōu)越性。然而，如何利用高精度的量子化學(xué)計算和動力學(xué)模擬方法探索大氣污染中自由基和光化學(xué)反應(yīng)的分子機(jī)理和微觀動力學(xué)仍處于起步階段、面臨諸多挑戰(zhàn)，但同時也是機(jī)遇。在擬開展的工作中，我們首先利用高精度量子化學(xué)計算研究揮發(fā)性有機(jī)化合物形成光化學(xué)污染物的分子機(jī)理、過渡態(tài)和基元化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)、分子動力學(xué)方法模擬超快、非平衡的化學(xué)反應(yīng)過程；同時，發(fā)展適合大氣復(fù)雜環(huán)境的量子力學(xué)和分子力學(xué)組合的計算模型和動力學(xué)方法。最后，應(yīng)用發(fā)展的方法研究顆粒物、液滴和氣溶膠等大氣復(fù)雜微觀環(huán)境對化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的影響。在此過程中發(fā)現(xiàn)并解決光化學(xué)煙霧形成過程的一些重要的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題，以期為預(yù)防、控制和治理大氣光化學(xué)污染提供理論依據(jù)和有意義的指導(dǎo)。

人物簡介：

崔剛龍，北京師范大學(xué)博士、教授、博士生導(dǎo)師。2007年教育部國家建設(shè)高水平大學(xué)公派博士研究生，2012年德國洪堡學(xué)者，2013年中央組織部青年千人計劃，2015年基金委優(yōu)秀青年基金，2016年科技部大氣重點(diǎn)研發(fā)專項項目負(fù)責(zé)人。多年來一直致力于分子和生物體系光物理和光化學(xué)的理論及計算研究, 包括光物理和光化學(xué)的電子結(jié)構(gòu)計算和動力學(xué)模擬方法、算法和程序包的發(fā)展；化學(xué)、生物和材料體系的光物理和光化學(xué)機(jī)理研究；化學(xué)、生物和材料體系的催化和光催化反應(yīng)機(jī)理研究。截至2016在Angewandte Chemie Int. Ed.、Journal of American Chemical Society等雜志發(fā)表SCI論文50余篇，并多次在國內(nèi)以及國際會議上作邀請報告。

張鳳博士，2010年畢業(yè)于瑞典皇家工學(xué)院，先后在美國紐約州立大學(xué)和阿貢國家實(shí)驗室從事博士后研究。2012年加入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗室任副研究員，主要從事化學(xué)動力學(xué)理論研究，尤其是大氣化學(xué)和燃燒化學(xué)動力學(xué)研究，主持和參與多項國家自然科學(xué)基金項目和科技部項目。

方維海教授，北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)擔(dān)任化學(xué)學(xué)院院長，理論及計算光化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室主任，北京市化學(xué)會常務(wù)理事，北京市化學(xué)會理事長，中國化學(xué)會常務(wù)理事。長期致力于理論與計算光化學(xué)研究工作，已在J. Am. Chem. Soc.等國際重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文200多篇，主持了數(shù)項國家自然科學(xué)基金委重大和重點(diǎn)項目，兩次受聘為“973”計劃項目首席科學(xué)家,2013年當(dāng)選中國科學(xué)院院士。