北京大学环境学院陈忠明团队揭示氨驱动的有机过氧化物水相反应新机制

2026年5月18日，北京大学陈忠明教授团队在环境领域顶级期刊Environmental Science & Technology发表题为“High Salinity Strongly Influences the Hydrolysis of Hydroxymethyl Hydroperoxide on Deliquesced Aerosol Particles with a Comparison to Cloud Droplets”的研究成果，首次揭示了氨（NH₃）能够直接参与并改变有机过氧化物（organic peroxides，简称POs）的水相反应路径及产物分布。这一发现打破了传统认知，为理解真实大气气溶胶中的复杂化学过程提供了新的视角。

大气气溶胶与气候变化、空气污染及人体健康密切相关，其环境和健康效应在很大程度上取决于复杂的气溶胶化学过程。其中，发生于气溶胶液态水中的水相化学反应是调控气溶胶理化性质演变的核心环节。长期以来，大气水相化学研究多基于“稀溶液”体系开展，这类体系组分简单且溶质浓度低，能够较好地模拟云水环境，却难以真实表征气溶胶水相。事实上，气溶胶水相通常是多组分共存的高盐度“浓溶液”，其中富含的无机离子可使体系离子强度高达10M（摩尔每升）以上。在这种高度复杂的化学环境中，有机物的水相反应行为很可能与传统云水化学过程存在显著差异，但目前相关研究仍十分有限。

POs是挥发性有机物（VOCs）氧化过程中的重要中间体，也是大气中关键的氧化剂和自由基储库分子，其水相转化过程与大气氧化性演变和二次气溶胶生成密切相关。为揭示POs在真实大气气溶胶中的反应行为，研究团队选取大气中含量丰富的代表性POs——羟甲基过氧化氢（HMHP）作为模型化合物，在高浓度盐溶液体系中系统开展水相反应动力学和机理研究。

研究发现，与云水相的稀溶液体系相比，HMHP在盐溶液体系中的转化明显加快。在硫酸钠（Na₂SO₄）和氯化钠（NaCl）溶液中，HMHP的衰减速率常数提高两倍左右，且仍遵循传统反应机理，即完全水解生成过氧化氢（H₂O₂）和甲醛（HCHO）（图2（c）（d））；出乎意料的是，在硫酸铵【(NH₄)₂SO₄】和氯化铵（NH₄Cl）溶液中，HMHP的衰减速率常数提高了一个数量级以上（图1），而其水解产物的产率却大幅下降（图2（a）（b））。这一反常现象表明，在铵盐体系中，HMHP除了传统的水解路径外，还存在一条此前未知的新反应路径。酸度与浓度敏感性实验进一步证实，驱动该新反应路径的关键物种并非NH₄⁺，而是NH₃（图3）。

图1 不同盐溶液体系中HMHP衰减速率常数随离子强度的变化

图2 不同盐溶液体系中HMHP消耗量（ΔHMHP）与H₂O₂生成量（ΔH₂O₂）的关系：（a）(NH₄)₂SO₄；（b）NH₄Cl；（c）Na₂SO₄；（d）NaCl

图3 HMHP在云水相和气溶胶水相中的反应路径示意图

NH₃是大气中最丰富的碱性气体，广泛来源于土壤、海洋等自然排放以及农业活动、生物质燃烧等人为排放，其与酸性物质反应生成的铵盐是大气气溶胶的重要无机组分。过去学界普遍认为NH₃在大气化学中主要发挥酸碱调节功能，而本研究则进一步揭示了NH₃作为反应参与者的重要作用。随着全球人口增长和粮食需求增加，化肥施用量持续上升，未来NH₃的排放量可能进一步增大，其在大气化学中的作用也将愈发凸显。因此，本研究不仅从微观层面上深化了对气溶胶水相化学机制的认识，也为未来构建更精准的大气化学模型、科学评估NH₃的环境与气候效应提供了关键的理论支撑。

论文第一作者为北京大学环境科学与工程学院博士生贾玉璐，通讯作者为陈忠明。该研究得到科技部重点研发计划（项目编号：2022YFC3701202）和国家自然科学基金项目（项目编号：22276002）的资助。