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贺泓院士/马庆鑫团队JACS: 无需强氧化剂,酸性微液滴界面自发产Cl₂

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第一作者:Shuying Li

通讯作者:马庆鑫、Joseph S. Francisco、贺泓

通讯单位:中国科学院生态环境研究中心、宾夕法尼亚大学

论文DOI:10.1021/jacs.6c10175

全文速览

活性氯物种显著影响大气氧化能力和空气质量,但其来源尚不明确。中科院生态环境研究中心贺泓院士、马庆鑫团队联合宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco教授报道了一种酸性微液滴界面自发生成分子氯(Cl2)的新途径:Cl-可在O2参与下于气–液界面发生氧化,生成大量Cl2。该界面反应由H+驱动,H+促进Cl-向气–液界面富集并介导电子转移,同时生成气态Cl2和OH自由基。由于海洋和污染城市环境中广泛存在酸性含氯液滴,该过程可能构成一个此前被忽视的重要对流层活性氯来源。不同于传统氯活化机制,该途径无需消耗O3或OH等气态氧化剂,而是产生颗粒态活性氧物种(ROS)。因此,目前的大气模型可能低估了活性卤素对大气氧化能力的贡献。

背景介绍

氯化学是大气卤素过程的关键组成部分,深刻影响空气质量和全球气候。活性氯物种可催化消耗平流层和极地边界层中的O3,促进近地面O3和二次有机气溶胶形成,并决定CH4和O3等短寿命气候强迫因子的寿命。已知活性氯生成路径包括HCl与OH自由基的气相反应,以及海盐气溶胶中氯化物参与的非均相反应,会生成BrCl、ClNO2、Cl2等。然而,现场观测和模型研究均表明,这些已知机制无法完全解释观测到的Cl2浓度,尤其是白天时段,暗示大气中存在未知Cl2生成路径。近期研究表明,H+可促进界面氯活化,并可能形成Cl2,但已有工作均未直接检测到气态Cl2,且对酸度和O2的作用认识不足。因此,研究团队提出:在酸性微液滴界面处,HCl可能在O2参与下自发氧化生成气态Cl2。

图文解析


图1 酸性溶液中Cl-界面氧化生成Cl2。

在HCl微液滴体系中,Cl2可在无光条件下自发生成,且该过程发生于液–气界面而非气相;相比NaCl溶液,H+和Cl-共存是Cl2形成的关键。微液滴雾化可立即产生Cl2,光照则进一步显著促进Cl-向Cl2的转化。在NaCl和H2SO4体系中,即使HCl不明显释放,较高Cl-浓度和光照仍可显著增强Cl2生成。进一步实验表明,O2和液相界面均是该过程的重要条件,N2下Cl2生成量大幅降低,而无液相时即使光照也无法生成Cl2,说明酸性含氯微液滴中存在O2介导的HCl界面氧化过程。


图2 经典分子动力学模拟揭示酸性溶液界面Cl-积累。

研究团队利用经典的MD模拟了三种酸度条件:条件I(Na+/Cl-=2:2)、条件II(Na+/H3O+/Cl-=1:1:2)和条件III(H3O+/Cl-=2:2)。随酸度增加,Cl-的概率分布从体相逐渐向界面移动,条件III下Cl-在界面附近出现最高概率。该结果表明酸度升高可促进Cl-向微液滴界面富集,增强其与界面O2的接触。进一步DFT计算表明,界面产生的H2O+可热力学上驱动Cl-氧化,而OH仅在酸性条件下具备氧化Cl-的可行性。相比之下,Cl-直接向O2转移电子在能量上不利,但在H+参与下,Cl-与O2生成Cl2和H2O2转变为放热过程,表明酸性环境和O2协同促进Cl-界面氧化。


图3 通过ESR自旋捕获实验检测Cl-界面氧化过程中活性氧的形成。

DMPO捕获OH自由基结果显示,体相HCl溶液在黑暗中无自由基信号,光照后出现DMPO-OH的1:2:2:1四重峰特征信号,表明HCl溶液在黑暗中产生的ROS微乎其微,但光照提供了在环境空气条件下驱动OH生成的必要能量。雾化HCl微液滴在黑暗中即出现OH信号,光照后显著增强,表明光照会增强自由基的生成。对照实验进一步表明,H+在OH自由基形成过程中发挥关键作用,OH自由基可以通过Cl-向O2的电子转移在酸性微滴界面自发形成,而光作为外部能量来源进一步增强了这一过程。


图4 不同反应条件下检测NaCl溶液中的ROS。

为了进一步研究H+在OH自由基形成过程中的关键作用,利用H2SO4将NaCl溶液酸化至pH 1。结果显示,酸性NaCl溶液光照后可检测到明显OH自由基信号,直接证明H+可在气–液界面促进Cl-和O2之间的电子转移。同时,酸性条件下伴随HO2/O2-及H2O2生成,且H2O2在光照下可进一步产生OH。综上表明,HO2、OH等ROS参与O2介导的Cl-界面氧化过程,进一步证明Cl-可在气–液界面被O2氧化。


示意图1 酸性液滴中Cl-界面氧化生成气态Cl2的可能途径。

基于以上研究,团队提出了一种通过质子辅助的界面氧化Cl-自发生成Cl2的新途径:在酸性微液滴中,H3O+促进Cl-在气–液界面富集,并在界面电场作用下促进Cl-向O2的转移电子,生成Cl原子和HO2等活性氧物种;Cl原子进一步与Cl-反应形成Cl2-中间体并释放气体Cl2。同时,HO2歧化生成H2O2,后者光解产生OH,进一步氧化Cl-并促进Cl2生成。

总结与展望

本工作揭示了酸性微液滴界面上Cl-被O2自发氧化生成Cl2的新机制。H+在气-液界面处富集Cl-并介导电子转移,该过程无需消耗强氧化剂即可同时生成活性氯和ROS,表明现有大气模型可能低估活性卤素对大气氧化能力的贡献。该过程不仅可能成为海洋大气中Cl2的重要来源,还可能通过直接排放的HCl在酸性微液滴上的界面氧化,成为污染大陆区域Cl2的潜在来源。北京实地观测进一步支持了这一机制,表明在阳光照射下的酸性条件下,Cl-的界面氧化可能是白天Cl2来源的潜在贡献者。

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