近日，中國科學院大連化學物理研究所江凌研究員和張兆軍副研究員等利用自主研制的、基于大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗裝置，發(fā)現(xiàn)了二氧化硫水合團簇的結(jié)構(gòu)演化機制，為理解二氧化硫氣溶膠成核機理提供了新的思路。
大氣環(huán)境中的污染分子，例如二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、揮發(fā)性有機物（VOC）等，與水、氧氣等發(fā)生作用和化學反應時，污染分子將會生成各種氣溶膠顆粒，并逐漸成長為霧霾。從分子形成大氣團簇是氣溶膠成核的關(guān)鍵步驟，精確測量大氣團簇的結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化對揭示霧霾的形成機制具有指導意義。然而，大氣團簇的數(shù)量密度低、壽命短、結(jié)構(gòu)復雜，其實驗研究非常困難，往往需要采用高靈敏、高時間分辨以及對結(jié)構(gòu)敏感的譜學等探測方法進行研究。
二氧化硫是重要的污染物分子，廣泛參與到酸雨和云凝結(jié)成核等大氣過程中。本工作中，江凌和李剛等利用自主研制的、基于大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗裝置，測得了質(zhì)量選擇的中性二氧化硫水合團簇SO2(H2O)n (n = 1-16) 的紅外光譜。隨后，張東輝院士和張兆軍等利用了自行發(fā)展的全維勢能面動力學理論方法，計算了這些團簇的各種結(jié)構(gòu)和紅外光譜，實現(xiàn)了理論與實驗的高度吻合。研究結(jié)果表明，二氧化硫與一個水分子形成了三明治結(jié)構(gòu)，與兩個或三個水分子形成了二維環(huán)狀結(jié)構(gòu)，與四個水分子形成了三維籠形結(jié)構(gòu)。并且，二氧化硫傾向于在大尺寸水團簇的表面上進行結(jié)合。由于氣溶膠成核以及生長過程中存在不同尺寸的液滴，水合團簇會影響二氧化硫的親電性質(zhì)和反應活性位點。該項成果有助于闡明污染物分子是如何一步步成長為團簇，以此來幫助人們更好地理解霧霾的形成機理。
相關(guān)成果以“Infrared Spectroscopy of Stepwise Hydration Motifs of Sulfur Dioxide”為題，于近日發(fā)表在《物理化學快報》（The Journal of Physical Chemistry Letters）上。該成果的共同第一作者是中國科學院大連化學物理研究所2506組博士研究生王沖和1113組博士研究生付良飛。該工作得到國家杰出青年科學基金、自然科學基金委“團簇構(gòu)造、功能及多級演化”重大研究計劃重點支持項目、自然科學基金委“動態(tài)化學前沿研究”科學中心項目、我所大連相干光源專項基金等項目的資助。（文/圖 轉(zhuǎn)自中國科學院大連化學物理研究所所主頁）
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c01472
