作者:摄影: 视频: 来源:环境科学与工程系发布时间:2025年10月09日
人们常听到"空气湿度大,雾霾更重"这样的说法,但"水"到底在其中扮演什么角色?
复旦大学环境科学与工程系陈建民教授团队联合多家单位研究揭示,空气中的微小"水分子水簇(water clusters)能像"临时催化助手"一样,促进某些关键反应更容易发生,从而生成硝基芳香物-二次有机气溶胶(NAC-SOA)。
2025年10月8日,相关成果以"Atmospheric water cluster–catalyzed formation of nitroaromatics as a secondary aerosol source"为题发表于Science Advances。
该研究依托复旦大学自主研制的气溶胶富集浓缩系统与萃取、液相高分辨质谱仪联用(VACE–OE–LC–MS),在上海城市大气开展现场观测,结合烟雾箱实验,揭示颗粒相NACs与相对湿度(RH)在昼夜均呈明显正相关,日变化表现为午后(·OH主导)与夜间(NO3主导)双峰;当 RH 自低值升高时,代表性产物(如4-硝基苯酚)的生成量与生成速率同步增加。
量化计算进一步指出,水二聚体/三聚体通过"质子接力"明显降低关键分子内 H-shift 步骤的能垒(较无催化情形,298 K反应速率常数提升约8–17个数量级),使常温下反应速率常数跃升至具备大气竞争力的量级,从而统一解释了观测与实验的 RH 敏感性。
图1. 水簇催化机制形成NAC-SOA的概念模型
基于以上研究,团队提出了一条"水簇催化"的 NACs 生成机制(见图1),揭示出一条此前未被充分认识的、由RH驱动的 NAC-SOA 形成重要通道,并为 SOA 来源解析与模式表征提供新的物理化学依据。
过去,人们更关注"气溶胶液态水"(ALWC)的作用,通常湿度高、液态水多,颗粒里更容易发生反应。该研究提出新视角——气相水并非"旁观者",当它们通过氢键短暂缔合形成"水簇"时,会为反应搭建一条更省力的"质子接力跑道",降低关键步骤的能量门槛。换句话说,同样的反应,在有"水簇帮忙"的情况下更容易"跑起来"。其中,由2〜3个水分子短暂结合成的小团队,存在时间虽短,却能在反应的关键节点"搭桥"、"递棒"。
复旦大学环境科学与工程系博士生熊海平为第一作者;复旦大学环境科学与工程系教授、欧洲科学院外籍院士陈建民,德国莱布尼茨对流层研究所教授、欧洲科学院院士Hartmut Herrmann,上海应用技术大学副教授尚晓娜为通讯作者。该研究由复旦大学联合山东大学、中国科学院广州地球化学研究所、上海应用技术大学、大连理工大学、以色列威兹曼研究院、法国科学研究中心里昂催化与环境研究中心、加拿大多伦多大学、德国莱布尼茨对流层大气研究所、上海生态崇明研究院等单位合作完成。
论文链接: 10.1126/sciadv.adv7805
制图:实习编辑:责任编辑:李斯嘉