研究人员发现碳质颗粒形成的机制

中国科学技术大学王占东教授研究团队利用同步辐射真空紫外光电离质谱实验平台观测了共振稳定自由基气相反应中一系列共价团簇中间体，揭示了共振稳定自由基在颗粒物质质量增长中的作用。

碳质颗粒物是在交通运输、工业排放、燃烧等过程中产生的，除了造成雾霾之外，人体吸入还会诱发呼吸系统疾病和心血管疾病。

碳质颗粒也会影响发动机的性能和寿命。因此，迫切需要减少空气中的这些颗粒。要实现这一点，揭示碳质颗粒的形成方式将大有裨益。

共振稳定自由基(RSR)是在碳质粒子中检测到的一类特殊自由基，其通过电子离域获得更高的稳定性和更长的寿命。由于实验手段的限制，对RSR反应机理的研究主要集中在反应路径上，对于RSR如何实现粒子质量增长尚无直接的实验证据。

利用国家同步辐射实验室 BL09U 光束线(基于波荡器的光束线设计能量范围为 7–124 eV，用于研究原子、分子和团簇的光谱和动力学)上的原位同步辐射紫外光电离质谱法(SVUV-PIMS)，实验中观察到一系列规则生长的共价结合团簇(CBC)，它们是小 RSR 演化的中间体。

选择在层流反应器中热解卤化自由基前体进行实验。因为RSR只能通过该反应器在高温下C-Br键断裂而产生。

结合定量计算发现，氢原子的提取和多次RSR加成促进了共价团簇的形成和快速增长，这些团簇逐渐脱氢生成大尺寸的近缩合稠环芳烃和多环芳烃自由基，并形成白色烟雾状碳质颗粒。

这种来自 CBC(PHLCBC)的渐进式 H 损失阐明了共振稳定自由基、共价簇和近缩合稠合芳烃之间的重要关系，将小尺寸气相自由基中间体与大尺寸纳米碳颗粒连接起来。

该研究有望为碳质颗粒的多尺度模拟提供重要见解，并指导碳纳米材料的合成，揭示火焰中富勒烯团簇的形成机制，并开发新的结焦抑制剂。