近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室和火災安全全國重點實驗室王占東教授團隊通過實驗和理論相結合，發現燃燒中產生的共價團簇中間體在氣相小分子-黑碳顆粒轉換過程中扮演著橋梁作用，提出了“共振穩定自由基團簇化(RSRC)”的黑碳氣溶膠成核新機制。相關研究成果以“Resonance-stabilized radical clustering bridges the gap between gaseous precursors and soot in the inception stage”為題，在線發表于《美國國家科學院院刊》(PNAS)。
化石燃料和生物質的不完全燃燒產生的黑碳氣溶膠是大氣細顆粒物的關鍵組分，在多維度環境系統中具有重要影響：其不僅降低區域空氣質量、加劇呼吸道疾病風險，還通過吸收太陽輻射改變大氣能量平衡，成為繼二氧化碳之后的第二大氣候變暖貢獻因子。在能源動力領域表現為發動機積碳現象——由未充分燃燒產生的碳微粒沉積會顯著降低燃燒效率，并加速發動機部件磨損。盡管學界已建立對其環境危害的系統認知，但關于其成核機制的核心科學問題仍未突破：從氣態前驅體向顆粒相轉變的動態演化路徑，特別是臨界成核階段的分子界面反應機制。這一基礎研究瓶頸制約著污染控制技術創新(如發動機清潔燃燒技術)、環境治理策略優化，以及大氣化學-云物理-氣候模型等多學科交叉領域關鍵界面過程的精準解析。
該研究團隊近期的研究中已發現燃燒中持久性自由基反應可以產生共價團簇中間體，以及黑碳氣溶膠顆粒(JACS, 2024, 146, 19，13571–13579)。本工作中，通過反應調控以1-茚基、1-甲基萘基、典型運輸燃料組分等為反應物，熱解制備黑碳氣溶膠新粒子。激光解吸/電離質譜測量發現黑碳氣溶膠新粒子中存在一系列的共價團簇(圖1)。通過旋蒸/汽化/同步輻射光電離質譜測量、熱重分析、團簇分子動力學直徑計算，發現氣相小分子團簇在質量增長到一定階段會出現明顯的顆粒相增長特征，而且相變臨界尺寸與實驗測量的黑碳氣溶膠新粒子尺寸一致(圖2)。
本工作所提出的RSRC黑碳氣溶膠成核新機制通過自由基鏈反應實現分子團簇的共價鍵合生長，強調共價團簇在黑碳氣溶膠形成過程中的重要性，與傳統黑碳氣溶膠顆粒形成理論形成鮮明對比——傳統理論認為黑碳氣溶膠顆粒成核主要依賴多環芳烴的物理堆疊或弱化學締合。RSRC機制的建立，為黑碳氣溶膠顆粒的初始成核過程提供了新的分子層面的機理闡釋，也為燃燒黑碳氣溶膠顆粒物的多尺度模擬提供了關鍵理論基礎。
圖1.黑碳氣溶膠中測量到的不同分子量的共價團簇
圖2.(a)-(b)1-茚基、1-甲基萘基熱解實驗中探測到的黑碳氣溶膠新粒子大小為1.3-1.6納米；(c)-(d)理論計算和模擬不同結構共價團簇中間體的相變尺寸為1.5納米附近，與實驗值高度吻合。
中國科學技術大學國家同步輻射實驗室博士生王紅為論文共同第一作者，官覬文和王占東等為本工作共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃青年科學家項目(2021YFA1601800)、國家自然科學基金(62310000379)等項目的支持。
