環境學院尚靜課題組揭示煙炱顆粒光催化自氧化增強健康損傷

煙炱(soot)是碳質燃料(如煤、油、秸稈等)不完全燃燒的產物。從工廠或汽車尾氣中排放到大氣中的煙炱是大氣氣溶膠的重要組分,傳統研究認為煙炱顆粒是由元素碳(EC)構成的碳核和外面包裹的有機碳(OC)構成,在大氣傳輸過程中會發生化學反應而老化,具有負面健康效應和氣候效應。受限於已有認知和分析手段,目前對煙炱碳核的微觀結構特性仍未明晰,對其在太陽光照下的反應機制缺乏深入探究,因而限制了對煙炱顆粒的大氣光化學老化過程中的角色認識。煙炱的微觀結構是什麼?在太陽光照下會發生怎樣變化?該變化是否會導致更強的負面健康效應?北京大學環境科學與工程學院尚靜課題組針對這些問題給予了科學系統的回答。系列研究成果發表在Environmental Science & TechnologyEnvironmental PollutionACS Applied Materials & Interfaces等國際知名期刊上。

課題組由煙炱中EC碳核的微觀結構和性能切入,採用全面的表面物化特性分析手段,結合先進的電子順磁共振技術測定光生電子、空穴和自由基,首次揭示了一層層洋葱狀的煙炱顆粒的碳核具有類還原氧化石墨烯(rGO)的微觀結構(//doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116079),即層狀堆積的碳六元環π-π共軛骨架上結合有少量的環氧、羰基和羧基等功能基團。課題組前期研究發現具有這種sp2域以及表面缺陷結構的rGO具有良好的光催化性能(//doi.org/10.1021/acsami.9b18899)。因此,“類rGO”的本徵結構特性使得煙炱在可見光照下具有光催化能力,可以通過電子轉移途徑產生超氧陰離子自由基、羥基自由基等活性氧物種(ROS)。

尚靜課題組進一步採用環境艙模擬了可見光照射下煙炱氣溶膠的物化特性和毒性變化,對比了光照前後煙炱顆粒的水溶性有機碳、多環芳烴、氧化潛勢等指標。由前述的微結構特性出發,揭示了煙炱顆粒的光化學自氧化機制。光化學反應由EC碳核的光催化活性引發,產生的ROS遵循自內而外的途徑氧化煙炱顆粒表面的有機物,導致煙炱顆粒的氧化潛勢顯著增強,從而具有潛在的更強的健康損傷效應(//doi.org/10.1021/acs.est.0c01150)。

煙炱顆粒的“類rGO”結構及其導致的光催化自氧化過程和增強的負面健康效應

該系列研究揭示了大氣煙炱顆粒的“類rGO”結構特點和光催化活性,提出的煙炱顆粒的光催化自氧化機制為探討其在大氣化學反應中的意義提供了新的認知,也為評價煙炱顆粒的健康和氣候效應提供了新的理論基礎。煙炱光催化自氧化方面的研究成果發表在Environmental Science & TechnologyEnvironmental Pollution期刊上,博士生朱佳麗為論文第一作者,尚靜為通訊作者;rGO光催化方面的工作發表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上,博士生曠宇為第一作者,尚靜和朱彤為共同通訊作者。研究受到國家自然科學基金面上項目資助(21876003,21577003)。

論文鏈接:

Zhu JL, Shang J*, Chen YY, Kuang Y, Zhu T, Reactive oxygen species-related inside-to-outside oxidation of soot particles triggered by visible-light irradiation: physicochemical property changes and oxidative potential enhancement, Environ. Sci. & Technol., 2020, 54(14), 8558-8567. //doi.org/10.1021/acs.est.0c01150

Zhu JL, Shang J*, Zhu T, A new understanding of the microstructure of soot particles: The reduced graphene oxide-like skeleton and its visible-light driven formation of reactive oxygen species, Environ. Pollut., 2021, 270, 116079. //doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116079

Kuang Y, Shang J*, and Zhu T*, Photoactivated graphene oxide to enhance photocatalytic reduction of CO2, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12(3), 3580-3591. //doi.org/10.1021/acsami.9b18899

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