有机胺促进甲磺酸成核潜力预测及机制研究

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大气颗粒物能够影响全球生态环境,空气质量,进而危害人类健康。新粒子生成(NPF)形成的二次颗粒物贡献了大气颗粒物总粒子数的一半以上。成核是NPF过程的初始阶段,甲磺酸(MSA)是关键的成核前驱体,特别是在全球SO2减排的背景下,MSA驱动成核对大气颗粒物的形成变得尤为重要。有机胺是大气中重要的有机碱,可通过酸-碱反应促进MSA成核,目前,大气中检出的有机胺有195种,仅研究了5种有机胺对MSA成核的促进作用及其成核机制,大量有机胺对MSA成核的促进潜力和机制未知,严重阻碍了全面认知MSA成核对于大气颗粒物形成的贡献。然而,要逐一探究有机胺促进MSA成核的潜力和机制,需要极大的工作量,因此是不实际的。本文采用高通量筛查、量子化学计算和大气团簇动力学模拟(ACDC)相结合的方法,预测有机胺促进MSA成核的潜力并探究高促进潜力有机胺的成核机制。本文的主要研究内容和结论如下:(1)根据有机胺的类型和结构选取其中具有代表性的50种,采用DLPNO-CCSD(T)/aug-cc-p VTZ//ωB97X-D/6-31++G(d,p)理论水平,计算(有机胺)1(MSA)1团簇的形成自由能(ΔG)。基于逐步多元线性回归(MLR)的方法、有机胺的量子化学描述符和Dragon描述符,构建预测(有机胺)1(MSA)1团簇ΔG值(有机胺促进MSA驱动成核潜力)的定量构效关系(QSAR)模型,该模型具有良好的拟合度、稳健性和预测能力。利用该模型对其余145种有机胺的ΔG值进行预测,评估其促进MSA驱动成核的潜力。结果表明,两种含有胍基的有机胺可能具有最强的促进MSA驱动成核的潜力。(2)选择胍(Gud)作为含胍基物种的代表,探究Gud促进MSA成核的机制和动力学。结果表明,与目前发现的促进MSA成核潜力最强的有机胺-乙醇胺(MEA)相比,0.01 ppt的Gud可达到与10 ppt MEA相似的成核速率,因此Gud对MSA驱动成核的促进作用最强。此外,由于(Gud)m(MSA)n(m=n)团簇极低的挥发速率,Gud-MSA体系存在一种独特的团簇生长机制:通过形成初始(Gud)1(MSA)1团簇,然后(Gud)1(MSA)1团簇主要通过相互碰撞生成(Gud)2(MSA)2团簇,后续团簇通过碰撞添加(Gud)1(MSA)1或(Gud)2(MSA)2团簇进行生长。本研究建立的QSAR预测模型可初步预测应用域内的新型有机胺对MSA驱动成核的促进潜力,为粗略评估所有有机胺对MSA成核的贡献奠定基础。此外,通过考察Gud-MSA体系的成核机制及动力学,揭示出Gud是目前促进MSA成核潜力最强的有机胺。本研究成果对深入理解MSA驱动成核以及大气颗粒物的形成具有重要意义,为宏观大气颗粒物污染防控提供了理论基础。
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