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JACS:純計算!研究ClONO2與HOCl在氣-水界面反應中自然發生的分子動力學

JACS:純計算!研究ClONO2與HOCl在氣-水界面反應中自然發生的分子動力學
ClONO2是用于研究大氣臭氧消耗的重要物種,其接觸到極地平流層云粒子(PSCs)的表面時會很快分解。ClONO2可以在云或氣溶膠的空氣-水界面參與各種反應,將不活躍的氯氣儲存轉化為活性氯化合物。根據前人報道,ClONO2在冰上的多相反應中Cl2O濃度增加,在大氣中,Cl2O是一種光解壽命短的活性氣體,它會對臭氧層造成消耗和破壞。有學者提出Cl2O可能是ClONO2與HOCl反應生成的,而HOCl是ClONO2水解生成,但對ClONO2+HOCl反應沒有詳細的討論。因此,有必要深入了解空氣-水界面上ClONO2和HOCl反應的機理。
JACS:純計算!研究ClONO2與HOCl在氣-水界面反應中自然發生的分子動力學
JACS:純計算!研究ClONO2與HOCl在氣-水界面反應中自然發生的分子動力學
近日,賓夕法尼亞大學Joseph S. Francisco北京師范大學朱重欽等報道了在氣-水界面ClONO2+HOCl反應中生成平流層氯源Cl2O的反應路徑。結果表明,雖然氣態水團簇可以顯著降低ClONO2+HOCl反應的能壘,但是該反應涉及的高能壘意味著它具有緩慢的大氣動力學。
重要的是,水滴中ClONO2+HOCl反應的分子模擬揭示了鹵素鍵作為ClONO2和HOCl之間主要相互作用的重要性。同時,研究人員還確定了兩種不同的反應途徑:1.生成Cl2O,NO3和H3O+;2.生成2HOCl,NO3和H3O+。自由能曲線表明,Cl2O生成途徑比自催化途徑更有利。特別地,在空氣-水界面上形成的Cl2O幾乎無勢壘。
JACS:純計算!研究ClONO2與HOCl在氣-水界面反應中自然發生的分子動力學
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此外,ClONO2在大氣氯化學中作為中心氯庫起著關鍵作用,它是由活性氯自由基ClO和NO2復合產生,并在氣溶膠的空氣-水界面被分解。研究表明,溶解在空氣-水界面上的ClONO2可以自發水解生成自由能壘僅為0.2 kcal mol?1的HOCl,HOCl進一步與ClONO2反應生成Cl2O,在空氣-水界面處的ClONO2也可以擴散到水體中。然而,該過程的自由能壘相對于界面反應要高得多,使得該過程相對非常緩慢。
此外,ClONO2的水解反應比Cl2O的生成反應快。而Cl2O蒸發進入氣相,光解生成ClO和Cl,會對臭氧層造成消耗和破壞。綜上,該項工作強調了基本氯化學的重要性和氣溶膠空氣-水界面對大氣化學的廣泛影響。
Molecular Insights into the Spontaneous Generation of Cl2O in the Reaction of ClONO2 and HOCl at the Air–Water Interface. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c06527

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