我國揭示碳吸光引發光化學反應對黑碳的光化學老化機理

　　在國家自然科學基金項目（項目批準號：21525729、21590811、21521062、21777168）等資助下，中國科學院化學研究所陳春城等揭示了黑碳光化學老化新機制。研究成果以“Role of Elemental Carbon in the Photochemical Aging of Soot”( 元素碳在黑碳光化學老化中的作用)為題，近期在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS，《美國科學院院刊》）上發表，論文鏈接http://www.pnas.org/content/115/30/7717。

圖1. 元素碳參與下有機碳光化學反應機理與有機碳自身光解反應機理

　　黑碳（Soot）是由生物質燃料和化石燃料不完全燃燒產生的一種碳顆粒物種，主要由元素碳（碳骨架）和有機碳（有機物）組成，是大氣氣溶膠的重要組成成分，對全球氣候變化具有重要影響。黑碳對可見光和紅外光具有強烈吸收，這些吸收能夠引發黑碳自身的光化學反應、促進其老化，從而影響大氣環境。因此，光化學老化作為黑碳老化的重要途徑而受到關注。

　　以前的研究認為，黑碳的光化學老化主要是由其有機碳部分吸收太陽光、發生光化學氧化所致，其中對太陽光具有強烈吸收作用的元素碳部分則被認為是光化學惰性的。最近陳春城等人利用黑碳中元素碳和有機碳對紅光和藍光的不同吸光特性，研究了紅光（l = 648 nm）和藍光（l = 440 nm）兩種波長光照射下黑碳的光化學老化，從實驗上直接證明了元素碳可以吸光而引發有機碳的光化學反應。進一步研究還表明由元素碳吸光所導致的有機碳光化學反應和由有機碳本身吸光所引起的老化在產物和機理上有著本質區別：前者主要通過電子轉移生成不飽和醛酮；后者則主要通過能量轉移生成飽和醛酮。

　　這一研究揭示了元素碳吸光引發有機碳的光化學反應對黑碳的光化學老化起著非常重要的作用。首先，元素碳將黑碳發生光化學老化的有效光譜拓展到了紅光區域。紅光在太陽光譜中占有很大的比例，特別是在多云天氣或太陽天頂角較小時，元素碳吸光將在黑碳光化學老化中起著決定性作用。其次，元素碳的光化學活性對大氣氣體在黑碳表面的持續性攝取產生顯著影響, 可以起到類似催化劑的作用。