La photooxydation des suies diesel améliore la formation hétérogène de H2SO4

Jun 11, 2023

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5364 (2022) Citer cet article

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L'observation sur le terrain et la simulation expérimentale suggèrent que le noir de carbone ou la suie joue un rôle remarquable dans l'oxydation catalytique du SO2 pour la formation de sulfate atmosphérique. Cependant, le mécanisme catalytique reste ambigu, notamment sous irradiation lumineuse. Ici, nous étudions systématiquement la conversion hétérogène du SO2 en suie de diesel ou en noir de carbone (DBC) sous irradiation lumineuse. Les résultats expérimentaux montrent que la présence de DBC sous irradiation lumineuse peut favoriser de manière significative la conversion hétérogène du SO2 en H2SO4, principalement par la réaction hétérogène entre le SO2 et les radicaux OH photo-induits. Les comportements photochimiques détectés sur le DBC suggèrent que la formation de radicaux OH est étroitement liée à l'abstraction et au transfert d'électrons dans le DBC et à la formation de radical superoxyde réactif (•O2−) comme intermédiaire. Nos résultats élargissent les sources connues de H2SO4 atmosphérique et donnent un aperçu du mécanisme d'oxydation photochimique interne du SO2 sur le DBC.

L’augmentation rapide du nombre de véhicules a entraîné l’émission de grandes quantités de noir de carbone (BC) dans la basse atmosphère1,2,3,4. Les particules de BC dans les gaz d’échappement des véhicules sont principalement formées par une combustion incomplète d’hydrocarbures5,6,7. En particulier, dans le nord de la Chine, des concentrations massiques de BC allant jusqu'à 20 μg m−3 (près de 10 % des particules totales) ont été observées lors d'épisodes de brume8. Une charge élevée en BC peut augmenter la stabilité atmosphérique grâce à la formation d’une inversion de température, ce qui entraînera le développement d’une brume extrême en supprimant la dispersion des polluants atmosphériques9. De plus, les aérosols de Colombie-Britannique peuvent influencer le climat en absorbant directement le rayonnement solaire et en affectant la formation des nuages ​​et l'albédo de surface par le biais de dépôts sur la neige et la glace10,11,12,13,14,15.

Des travaux récents ont prouvé que les interactions entre le BC et d'autres espèces inorganiques peuvent améliorer la capacité d'oxydation atmosphérique et contribuer à la formation d'une pollution atmosphérique complexe16,17. Par exemple, l’acide nitreux gazeux (HONO) est un précurseur important du radical hydroxyle (OH) dans la troposphère. De nombreuses études ont montré que la réduction hétérogène du NO2 à la surface du BC est une source importante de HONO18,19,20,21,22. De plus, le sulfate est l’espèce qui se forme le plus rapidement et devient rapidement le composant principal des aérosols secondaires au cours de l’évolution de la brume23,24,25,26,27,28. Des travaux récents de simulation en laboratoire et de calcul théorique ont indiqué que la suie peut agir comme un catalyseur pour favoriser l'oxydation hétérogène du SO2 en sulfate dans des conditions d'obscurité29,30,31. Des expériences en chambre ont également prouvé que le rôle catalytique de la suie dans la formation de sulfate peut être encore amplifié en réduisant le NO2 en HONO en présence à la fois de NO2 et de NH3 dans des conditions sombres32. Une récente mesure de terrain dans la zone urbaine de Pékin réalisée par Yao et al. ont indiqué que l'oxydation catalytique du SO2 sur les suies liées à la circulation peut induire la formation de SO3 en phase gazeuse tôt le matin33. Par conséquent, la chimie hétérogène impliquant la suie a récemment attiré une attention croissante dans le domaine de la chimie atmosphérique.

En ce qui concerne son rôle dans des conditions sombres, certaines études récentes ont indiqué que le carbone élémentaire (EC) et le carbone organique (OC) en Colombie-Britannique présentaient une photoréactivité remarquable en raison de leur forte capacité d'absorption de la lumière sous éclairage19,34,35,36,37. Il a été constaté que la photooxydation du CO initiée par la CE se produisait par des réactions radicalaires initiées par transfert d'électrons et par l'absorption de la lumière par photovieillissement direct induit par le CO par transfert d'énergie. Des preuves observationnelles récentes suggèrent que les réactions photochimiques sur les particules de suie pourraient contribuer à la production de sulfate atmosphérique pendant la journée38. Cependant, le mécanisme réactionnel intrinsèque du SO2 sur le BC reste mal résolu. De plus, on ne sait pas encore si la chimie des radicaux photoinduits peut contribuer à la conversion hétérogène du SO2.