2020年05月28日

中大工程学院揭示水蒸气在甲醇大气化学反应担任的角色 提供更准确预测大气反应的计算方法

香港中文大学(中大)机械与自动化工程学系任伟教授领导的研究团队,透过高水平的量子化学计算方法,为水蒸气在某些重要大气化学反应中的角色提供了确实答案,令空气污染及大气变化的预测更为准确及可靠。

(任伟教授专研燃烧、大气和星际化学反应动力学,并致力开发用作微量气体感测的光谱技术。在过去五年,任伟教授已在国际学术期刊发表逾50项的研究成果。)

挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)在阳光下会进行光化反应,形成臭氧及微细悬浮粒子(PM2.5)等污染物。近年,香港蓝天的日子愈来愈少,主要是因为香港周边地区VOCs的排放量不断增加。当中,甲醇是大气中含量最高的其中一种VOCs,全球年排放量高达240万吨。它在大气中的生命周期约为3至14日。

VOCs在大气中的「天敌」是一种名为「羟基自由基」的氧化物,它堪称大气的洗涤剂,能与VOCs产生氧化作用,从而降低空气污染程度。由于此氧化物对环境有重大影响,科学家过往不断利用实验及计算尝试精确地研究这类氧化反应,以此建立电脑模型作空气污染及大气变化的预测。

科学界一直臆测占大气比例约3%的水蒸气可能会影响大气中的化学反应,包括VOCs的氧化反应,但直接可靠的实验证据寥寥可数。于2017年,由阿根廷学者领导的研究小组透过实验发现,甲醇在高湿度环境下氧化的速度会较正常情况快两倍,意味水分子会影响大气中甲醇的化学反应。不过,另一来自法国国家科学研究中心的研究小组对这结论提出怀疑,因为他们曾进行相似的实验,但水分子并无催化甲醇氧化。因此,人们对水蒸气在甲醇大气化学反应所担任的角色一直存疑。

为了厘清水分子在甲醇大气化学反应担任的角色,中大工程学院任伟教授的团队和美国明尼苏达大学的团队合作,采用高精度的量子化学方法并结合变分过渡态理论,研究甲醇、羟基自由基和水蒸气之间的相互反应。

(任伟教授的研究团队)

研究团队透过仔细考虑该反应体系非谐振效应、反应路径变分效应以及低温量子隧穿效应,计算出该三分子体系于热力学温度200到400凯氏度的速率系数。此计算结果确定,大气中水蒸气对甲醇和羟基自由基反应的催化作用仅是微不足道,意味甲醇的氧化反应不会受水蒸气所影响。研究成果发表于著名学术期刊《应用化学》(Angewandte Chemie-International Edition),并被遴选为重点文章(Very Important Paper) (https://doi.org/10.1002/anie.202001065)。

任教授表示:「这次研究通过理论方法阐明了水蒸气是否影响甲醇大气化学反应这一长期存在的疑问,对预测大气反应开拓了一个全新的方向,并有望在应用层面结合高灵敏度的微量气体精密测量技术,更快捷、更准确地预测空气污染,继而提出预警,让相关企业或部门推行预防措施。」

此外,任伟教授的研究团队亦计算了环戊烷与羟基自由基的反应速率系数,在燃料燃烧、大气分解的过程担任重要角色。研究结果亦显示将非谐振效应延伸至化学反应系统精密计算的做法具备相当的价值。有关研究成果刊登于《化学科学》 (Chemical Science-The Royal Society of Chemistry),并获评为高阶文章 (https://doi.org/10.1039/C9SC05632G)。

任伟教授在深圳研究院承担的项目

国家项目

1. 基于双光频梳的燃烧场吸收光谱诊断技术基础研究

2. 光纤激光器内腔增强型光声光谱关键技术研究



原文转载:香港中文大学传讯及公关关系处 二零二零年五月二十五日 《中大工程学院揭示水蒸气在甲醇大气化学反应担任的角色 提供更准确预测大气反应的计算方法》