人們常聽(tīng)到“空氣濕度大，霧霾更重”這樣的說(shuō)法，但“水”到底在其中扮演什么角色？

復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系陳建民教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家單位研究揭示，空氣中的微小“水分子水簇（water clusters）能像“臨時(shí)催化助手”一樣，促進(jìn)某些關(guān)鍵反應(yīng)更容易發(fā)生，從而生成硝基芳香物-二次有機(jī)氣溶膠（NAC-SOA）。

2025年10月8日，相關(guān)成果以“Atmospheric water cluster–catalyzed formation of nitroaromatics as a secondary aerosol source”為題發(fā)表于Science Advances。

該研究依托復(fù)旦大學(xué)自主研制的氣溶膠富集濃縮系統(tǒng)與萃取、液相高分辨質(zhì)譜儀聯(lián)用（VACE–OE–LC–MS），在上海城市大氣開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)，結(jié)合煙霧箱實(shí)驗(yàn)，揭示顆粒相NACs與相對(duì)濕度（RH）在晝夜均呈明顯正相關(guān)，日變化表現(xiàn)為午后（·OH主導(dǎo)）與夜間（NO_?主導(dǎo)）雙峰；當(dāng) RH 自低值升高時(shí)，代表性產(chǎn)物（如4-硝基苯酚）的生成量與生成速率同步增加。

量化計(jì)算進(jìn)一步指出，水二聚體/三聚體通過(guò)“質(zhì)子接力”明顯降低關(guān)鍵分子內(nèi) H-shift 步驟的能壘（較無(wú)催化情形，298 K反應(yīng)速率常數(shù)提升約8–17個(gè)數(shù)量級(jí)），使常溫下反應(yīng)速率常數(shù)躍升至具備大氣競(jìng)爭(zhēng)力的量級(jí)，從而統(tǒng)一解釋了觀(guān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)的 RH 敏感性。

圖1. 水簇催化機(jī)制形成NAC-SOA的概念模型

基于以上研究，團(tuán)隊(duì)提出了一條“水簇催化”的 NACs 生成機(jī)制（見(jiàn)圖1），揭示出一條此前未被充分認(rèn)識(shí)的、由RH驅(qū)動(dòng)的 NAC-SOA 形成重要通道，并為 SOA 來(lái)源解析與模式表征提供新的物理化學(xué)依據(jù)。

過(guò)去，人們更關(guān)注“氣溶膠液態(tài)水”（ALWC）的作用，通常濕度高、液態(tài)水多，顆粒里更容易發(fā)生反應(yīng)。該研究提出新視角——?dú)庀嗨⒎恰芭杂^(guān)者”，當(dāng)它們通過(guò)氫鍵短暫締合形成“水簇”時(shí)，會(huì)為反應(yīng)搭建一條更省力的“質(zhì)子接力跑道”，降低關(guān)鍵步驟的能量門(mén)檻。換句話(huà)說(shuō)，同樣的反應(yīng)，在有“水簇幫忙”的情況下更容易“跑起來(lái)”。其中，由2～3個(gè)水分子短暫結(jié)合成的小團(tuán)隊(duì)，存在時(shí)間雖短，卻能在反應(yīng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)“搭橋”、“遞棒”。

復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系博士生熊海平為第一作者；復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系教授、歐洲科學(xué)院外籍院士陳建民，德國(guó)萊布尼茨對(duì)流層研究所教授、歐洲科學(xué)院院士Hartmut Herrmann，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)副教授尚曉娜為通訊作者。該研究由復(fù)旦大學(xué)聯(lián)合山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所、上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)、大連理工大學(xué)、以色列威茲曼研究院、法國(guó)科學(xué)研究中心里昂催化與環(huán)境研究中心、加拿大多倫多大學(xué)、德國(guó)萊布尼茨對(duì)流層大氣研究所、上海生態(tài)崇明研究院等單位合作完成。

論文鏈接: 10.1126/sciadv.adv7805