JACS：I2O4气-液界面反应对海洋气溶胶增长的贡献

海洋气溶胶构成了全球最大的自然源气溶胶体系，对全球的辐射平衡、气候变化乃至人们的生活都有着重要影响。尽管已有研究表明含碘物质与海洋气溶胶的形成密切相关，但其参与的气溶胶增长机制尚不清楚。近日，北京理工大学张秀辉教授团队、中科院生态环境中心贺泓研究员团队及其国外合作者通过理论计算揭示了重要碘氧化物I₂O₄在气-液界面上的非均相反应机制，并探究了该机制对海洋气溶胶增长的贡献。

伴随全球碘排放量的快速增加，含碘物质对大气环境的综合影响日趋显著。在全球不同海域的外场观测中，气溶胶粒子中均检测到了含碘组分的存在。因此，由含碘化合物驱动的气溶胶形成机制备受关注。已有实验室研究表明，碘氧化物(I_xO_y)是气溶胶粒子形成的重要组分(其中四氧化二碘I₂O₄浓度最高)。然而，外场检测到的气溶胶粒子的主要碘组分为IO₃^-离子，却未检测到碘氧化物。实验室与外场观测上的分歧难以用当前的化学反应机制来解释，这很大程度上限制了人们对碘氧化物如何影响海洋气溶胶形成的理解。

北京理工大学张秀辉教授、美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授和中科院生态环境中心贺泓研究员团队揭示的大气中硫酸和胺类物质影响下的I₂O₄的气-液界面(即液相气溶胶表面)上的非均相反应机制则较好地解释了上述分歧问题。由于真实大气中的化学组分远比“单纯”的实验环境更为复杂，除碘氧化物外，还存在着污染物硫酸、以及海洋类生物排放生成的胺类组分。他们合作研究发现，在硫酸和有机胺的参与下，I₂O₄可在气溶胶气-液界面快速(皮秒级别)反应（图1）生成亚碘酸HIO₂以及一系列离子产物，如HSO₄^-、IO₃^-、DMAH⁺等。所生成的反应产物间可通过氢键、卤键和离子键结合为尺寸更大的复合物，进而限制其向液滴体相的扩散；同时，界面水分子通过氢键与产物分子结合，使其难以蒸发至气相（图2）。且上述附着于液滴表面的产物(IO₃^-/DMAH⁺等)相比于反应物(I₂O₄/DMA等)有更低的挥发性和更高的吸湿性(图3)，还可促进气溶胶的吸湿性增长。 

图1. 硫酸、胺影响下的I₂O₄的气-液界面反应机制。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图2. I₂O₄的气-液界面反应产物。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3. I₂O₄气-液界面反应物/产物的水合分布。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

综上，该论文揭示的硫酸和有机胺影响下的I₂O₄在气溶胶气-液界面的反应机制不仅解释了实验室与外场观测上的分歧，而且有助于理解碘化学的非均相反应过程及其对气溶胶增长的影响机制。同时还揭示了海洋气溶胶中HSO₄^-/IO₃^-等重要组分的新来源，进而对深入理解海洋大气碘化学与气溶胶形成间的联系提供了理论线索。 

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是北京理工大学化学与化工学院的博士后宁安和中国石油大学的钟杰教授。通讯作者为北京理工大学张秀辉教授、美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授、中科院生态环境中心贺泓研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Chemical Implications of Rapid Reactive Absorption of I₂O₄ at the Air-Water Interface

An Ning, Jie Zhong, Liwen Li, Hao Li, Jiarong Liu, Ling Liu, Yan Liang, Jing Li, Xiuhui Zhang*, Joseph S. Francisco*, and Hong He*  

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 10817–10825, DOI: 10.1021/jacs.3c01862

通讯作者简介

张秀辉，北京理工大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。2007年北京理工大学博士毕业并获全国百篇优秀博士论文提名。主要从事大气颗粒物形成机制的理论研究工作，以通讯或第一作者在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Proc. Natl. Acad. Sci. USA等发表SCI论文60余篇。以第三完成人获教育部自然科学二等奖、国防科工委国防科学技术二等奖和中国兵器集团公司科学技术二等奖。培养的1名博士生获中国颗粒物学会优秀博士论文。

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Joseph S. Francisco，美国宾夕法尼亚大学教授，美国国家科学院院士、美国艺术与科学学院院士。长期致力于气相、气溶胶和冰准液层中新型瞬态物质的光谱学、动力学和光化学的基础理论研究。曾获得美国科学基金会总统年轻学者奖、亚历山大洪堡奖、斯隆研究奖等诸多奖项，是美国化学会会士、美国物理会会士、美国科学促进协会会士。

贺泓，中国工程院院士，中国科学院生态环境研究中心研究员。系统研究了大气复合污染形成机理和大气污染物催化净化新原理、新方法及应用，取得柴油车排放污染控制、室内空气净化和大气灰霾成因研究的系列成果。出版专著《环境催化—原理及应用》；在国内外主流学术期刊上发表SCI论文570余篇，SCI总被引33300余次；爱思唯尔发布的2015-2021年以及2022年科睿唯安发布的中国高被引学者；获授权发明专利60余项，多项专利转让给企业实施应用。以第一完成人获国家技术发明二等奖（2011年）、国家科技进步二等奖（2014年）和国家自然科学二等奖（2019年）各1项；获2017年何梁何利基金科学与技术创新奖，2020年全国创新争先奖。

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贺泓

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