ディーゼルすすの光酸化は H2SO4 の不均一な形成を促進します

Jun 25, 2023

Nature Communications volume 13、記事番号: 5364 (2022) この記事を引用

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野外観察と実験シミュレーションの両方から、黒色炭素またはすすが、大気中の硫酸塩の形成のための SO2 の触媒酸化において顕著な役割を果たしていることが示唆されています。 しかし、触媒機構、特に光照射下での触媒機構は依然として不明瞭である。 ここでは、光照射下でのディーゼルすすまたはブラックカーボン (DBC) 上の SO2 の不均一な変換を体系的に調査します。 実験結果は、光照射下で DBC が存在すると、主に SO2 と光誘起 OH ラジカル間の不均一反応を通じて、SO2 から H2SO4 への不均一変換を大幅に促進できることを示しています。 DBC 上で検出された光化学的挙動は、OH ラジカルの形成が DBC 内の電子の引き抜きと移動、および中間体としての反応性スーパーオキシドラジカル (・O2-) の形成に密接に関連していることを示唆しています。 私たちの結果は、大気中の H2SO4 の既知の発生源を拡張し、DBC における SO2 の内部光化学酸化メカニズムについての洞察を提供します。

車両数の急速な増加により、下層大気中への大量のブラックカーボン (BC) の放出が生じています1、2、3、4。 自動車の排気ガス中の BC 粒子は、主に炭化水素燃料の不完全燃焼によって形成されます 5、6、7。 特に、中国北部では、ヘイズ発生中に最大 20 μg m-3 (総粒子状物質のほぼ 10%) の BC 質量濃度が観察されています 8。 BC を多量に添加すると、温度逆転の形成を通じて大気の安定性が向上し、これが大気汚染物質の拡散の抑制を通じて極度のヘイズの発生にフィードバックされます。 さらに、BC エアロゾルは、太陽放射を直接吸収し、雪や氷への堆積を通じて雲の形成や表面アルベドに影響を与えることにより、気候に影響を与える可能性があります10、11、12、13、14、15。

最近の研究では、BC と他の無機種の間の相互作用が大気の酸化能力を高め、複雑な大気汚染の形成に寄与する可能性があることが証明されました 16,17。 たとえば、ガス状亜硝酸 (HONO) は、対流圏におけるヒドロキシル ラジカル (OH) の重要な前駆体です。 多くの研究により、BC 表面上の NO2 の不均一な還元が重要な HONO 供給源であることが示されています 18、19、20、21、22。 さらに、硫酸塩は最も速く形成される種であり、ヘイズの発生中に急速に二次エアロゾルの主成分になります 23,24,25,26,27,28。 最近の実験室シミュレーションと理論計算作業により、すすが暗条件下で SO2 の硫酸塩への不均一酸化を促進する触媒として機能する可能性があることが示されています 29,30,31。 チャンバー実験では、暗条件下で NO2 と NH3 の両方の存在下で NO2 を HONO に還元することにより、硫酸塩形成におけるすすの触媒的役割がさらに増幅できることも証明されました 32。 Yaoらによって北京都市部で最近行われた現地測定。 は、交通関連のすすに対する SO2 の触媒酸化が早朝に気相 SO3 の形成を誘発する可能性があることを示しました 33。 したがって、大気化学の分野では、煤を含む不均一化学が最近ますます注目を集めています。

暗条件下での役割と比較して、いくつかの最近の研究では、BC 中の元素炭素 (EC) と有機炭素 (OC) の両方が、照明下での強い光吸収能力により顕著な光反応性を示すことが報告されています 19,34,35,36,37。 EC によって開始される OC の光酸化は、電子移動によって開始されるラジカル反応と、エネルギー移動による OC 誘導の直接光老化による光の吸収を通じて進行することが判明しました。 最近の観察証拠は、すす粒子上の光化学反応が日中の大気中の硫酸塩の生成に寄与している可能性があることを示唆しています38。 しかし、BC 上の SO2 の固有の反応機構はまだ十分に解明されていません。 さらに、光誘起ラジカル化学が SO2 の不均一変換に寄与できるかどうかは不明のままである。