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二零二零年五月二十五日

中大工程學院揭示水蒸氣在甲醇大氣化學反應擔任的角色
提供更準確預測大氣反應的計算方法



香港中文大學(中大)機械與自動化工程學系任偉教授領導的研究團隊,透過高水平的量子化學計算方法,為水蒸氣在某些重要大氣化學反應中的角色提供了確實答案,令空氣污染及大氣變化的預測更為準確及可靠。

揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)在陽光下會進行光化反應,形成臭氧及微細懸浮粒子(PM2.5)等污染物。近年,香港藍天的日子愈來愈少,主要是因為本港周邊地區VOCs的排放量不斷增加。當中,甲醇是大氣中含量最高的其中一種VOCs,全球年排放量高達240萬噸。它在大氣中的生命週期約為3至14日。

VOCs在大氣中的「天敵」是一種名為「羥基自由基」的氧化物,它堪稱大氣的洗滌劑,能與VOCs產生氧化作用,從而降低空氣污染程度。由於此氧化物對環境有重大影響,科學家過往不斷利用實驗及計算嘗試精確地研究這類氧化反應,以此建立電腦模型作空氣污染及大氣變化的預測。

科學界一直臆測佔大氣比例約3%的水蒸氣可能會影響大氣中的化學反應,包括VOCs的氧化反應,唯直接可靠的實驗證據寥寥可數。於2017年,由阿根廷學者領導的研究小組透過實驗發現,甲醇在高濕度環境下氧化的速度會較正常情況快兩倍,意味水分子會影響大氣中甲醇的化學反應。不過,另一來自法國國家科學研究中心的研究小組對這結論提出懷疑,因為他們曾進行相類的實驗,但水分子並無催化甲醇氧化。因此,人們對水蒸氣在甲醇大氣化學反應所擔任的角色一直存疑。

為了釐清水分子在甲醇大氣化學反應擔任的角色,中大工程學院任偉教授的團隊和美國明尼蘇達大學的團隊合作,採用高精度的量子化學方法並結合變分過渡態理論,研究甲醇、羥基自由基和水蒸氣之間的相互反應。研究團隊透過仔細考慮該反應體系非諧振效應、反應路徑變分效應以及低溫量子隧穿效應,計算出該三分子體系於熱力學溫度200到400凱氏度的速率系數。此計算結果確定,大氣中水蒸氣對甲醇和羥基自由基反應的催化作用僅是微不足道,意味甲醇的氧化反應不會受水蒸氣所影響。研究成果發表於著名學術期刊《應用化學》(Angewandte Chemie-International Edition),並被遴選為重點文章(Very Important Paper)(https://doi.org/10.1002/anie.202001065)。

任教授表示:「是次研究通過理論方法闡明了水蒸氣是否影響甲醇大氣化學反應這一長期存在的疑問,對預測大氣反應開拓了一個全新的方向,並有望在應用層面結合高靈敏度的微量氣體精密測量技術,更快捷、更準確地預測空氣污染,繼而提出預警,讓相關企業或部門推行預防措施。」

此外,任偉教授的研究團隊亦計算了環戊烷與羥基自由基的反應速率系數,在燃料燃燒、大氣分解的過程擔任重要角色。研究結果亦顯示將非諧振效應延伸至化學反應系統精密計算的做法具備相當的價值。有關研究成果刊登於《化學科學》 (Chemical Science-The Royal Society of Chemistry),並獲評為高階文章 (https://doi.org/10.1039/C9SC05632G)。

有關任偉教授

任偉教授研究團隊致力於燃燒、大氣和星際化學反應動力學的實驗與理論研究。在過去五年,任偉教授已在國際學術期刊發表逾50項的研究成果。

任偉教授專研燃燒、大氣和星際化學反應動力學,並致力開發用作微量氣體感測的光譜技術。
任偉教授專研燃燒、大氣和星際化學反應動力學,並致力開發用作微量氣體感測的光譜技術。

任偉教授的研究團隊。
任偉教授的研究團隊。

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