丙烯腈单体自由基反应及光谱分析的研究

采用密度泛函理论对以偶氮二异丁腈为引发剂形成的丙烯腈单体自由基(CH₃)₂(CN)C—CH₂—(CN)CH的终止方式反应机理进行研究。先用B3LYP/6-31G(d)基组对反应物、偶合中间体、过渡态、歧化产物的几何构型进行优化,并计算了各物种经过零点能校正后的总能量,红外频率和电子结构,同时对过渡态结构进行了验证。研究结果表明,反应物先通过自由基的偶合终止方式形成偶合中间体a,再由此经过氢迁移、裂解等机理得到歧化终止产物P[p₁(CH₃)₂(CN)CCHCHCN+p₂(CH₃)₂(CN)C—CH₂—CH₂CN]。双自由基发生偶合和歧化终止反应分别形成偶合中间体a和歧化终止产物P均为放热反应,且偶合产物有着更低的能量。反应过程的速控步骤a→TS→P在常温下的速率常数表示为k(298.15 K)=2.71×10-59。歧化终止反应随着反应温度的升高易于进行,歧化产物所占的比例也增加。通过对反应过程各物种红外谱图的分析,说明自由基在整个终止反应的化学变化,同时分析了HOMO-LUMO电子密度分布的信息,验证丙烯腈双自由基偶合终止方式和各物种结构的准确性。     

原子吸收光谱法间接研究碱式胱氨酸锌的配合反应

在研究原子吸收间接测定胱氨酸(Cystine, Cys-Cys)时,发现胱氨酸与锌离子在碱性条件下能形成可溶性碱式胱氨酸锌配合物,并在pH 9.4左右时达到最大浓度,经编程计算不同pH下的胱氨酸和锌离子的各种存在形式和分析了拟合分布图,指出在pH 9.4左右时,所形成的可溶性碱式胱氨酸锌配合物是由显电中性的Cys-Cys+-,-1价的Cys-Cys-和-2价的Cys-Cys2-,这三种胱氨酸基同时均可以与Zn(OH)₂配位形成三种可溶性碱式胱氨酸锌配合物,其分子式为[(COO-)CH(NH+₃)CH₂S—SCH₂CH(NH+₃)COO-]Zn(OH)₂, [(COO-)CH(NH+₃)CH₂S—SCH₂CH(NH₂)COO-]Zn(OH)₂,[(COO-)CH(NH₂)CH₂S—SCH₂CH(NH₂)COO-]Zn(OH)₂。理论计算分析的结果与实验数据得到了很好的吻合,并确定了硫化锌法原子吸收间接测定胱氨酸时的配合物反应机理。     

基于差分光学吸收光谱方法的OH自由基定标系统研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱(DOAS)方法的OH自由基定标系统, 该系统可产生一定浓度的OH自由基并同时进行精确测量. 系统采用紫外灯185 nm光线分解水汽产生OH自由基, 利用500 W氙灯准直光作为光源; 使用基长1.25 m、反射次数60次、总光程75.0 m的多次反射池来增加OH自由基的吸收光程; 以超高分辨率中阶梯光栅光谱仪(最高分辨率3.3 pm)作为光谱采集系统对光谱信号进行采集, 采用DOAS测量方法获得OH自由基的浓度. 通过改变腔内水汽的浓度, 系统准确测量了5×10⁸-1.8×10¹⁰ molecules/cm³浓度范围的OH自由基. 分析了OH自由基测量过程中受到的吸收截面偏差、气压等因素影响, 得到系统总测量误差小于7.3%. 在实验的浓度范围内, 系统可用于大气OH自由基气体扩张激光诱导荧光测量技术的定标.     

基于红光二极管为光源的LP-DOAS系统监测大气NO3自由基的研究

NO₃自由基是夜间大气中最重要的氧化基团,鉴于NO₃自由基易变性以及极低的大气浓度,开发了以发红光二极管(LEDs)为光源来监测大气NO₃自由基的长程差分吸收光谱系统(LEDs-DOAS)。分析了新型红光二极管Luxeon LXHL-MD1D LEDs的谱特性,研究了以其为光源的长程LEDs-DOAS系统测量大气NO₃自由基的原理,设计了大气NO₃测量自由基的装置,给出监测的大气吸收光谱,研究了反演NO₃的方法,并给出反演谱图和一周大气NO₃浓度的时间序列图。研究结果表明当光程为2.8 km时,LEDs-DOAS系统的探测限大约为12 ppt。     

基于火焰发射光谱的转动温度和振动温度的测量

利用光学多通道分析仪(OMA)对酒精和煤油在大气中燃烧时的火焰发射光谱进行了分析.实验发现上述火焰发射光谱在275-600 nm波段范围内存在多支辐射强度很大的带状分子光谱,其中以OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r(300-330 nm),CH自由基A²Δ→X²Π(410-440 nm)和C₂自由基A³Π_g→X³Π_u(500-520 nm)电子带系的发射光谱最为强烈.实验中采用高分辨率光栅对OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r和CH自由基A²Δ→X²Π电子带系发射光谱的精细结构进行了分析.与此同时,本文基于分子光谱理论计算了不同转动温度和振动温度条件下OH自由基A²Σ⁺→X²Π_r和CH自由基A²Δ→X²Π电子带系发射光谱的强度分布,同时通过理论计算光谱和实验光谱进行比较确定了酒精燃烧火焰的转动温度和振动温度. 关键词： 火焰发射光谱 谱线强度 转动温度 振动温度     

大气HOx自由基湍流标定系统研究

HO_x(OH,HO₂)自由基是大气中重要的氧化剂, 准确测量大气HO_x自由基的浓度对研究大气光化学反应机理有着重要作用。气体扩张激光诱导荧光技术(FAGE)已广泛应用于HO_x自由基的外场观测, 准确标定是FAGE系统准确测量大气HO_x自由基的重要前提。介绍了一种可以产生准确OH和HO₂自由基浓度的便携式湍流标定系统。该系统是基于低压汞灯产生的185 nm线辐射处于湍流状态的H₂O和O₂产生一定浓度的HO_x自由基。该系统中产生的自由基浓度分布均匀, 适用于多种平台的系统标定。为了准确计算出湍流标定装置中产生HO_x自由基的浓度, 分别开展了氧气和水汽吸收截面的测量。利用高精度的腔衰荡光谱(CRDS)系统测量臭氧浓度, 并用冷镜式露点仪对温湿度计测量水汽的浓度进行修正, 提高标定系统HO_x自由基浓度计算的准确度。为了便携化湍流标定系统的外场应用, 快速获取标定系统中产生的HO_x自由基的浓度, 测量了用于探测汞灯光强的光电倍增管的灵敏度因子, 实现用汞灯光强代替标定系统中产生的臭氧浓度。考虑到HO_x自由基的活性比较高, 在湍流标定系统传输的过程中会有一定的壁碰撞损失, 通过改变汞灯和标定装置出气口之间的距离对HO_x自由基在标定系统中的壁碰撞损失进行定量测量。将搭建好的湍流标定系统应用于基于气体扩张激光诱导荧光技术HO_x自由基探测系统(FAGE-HO_x)的准确标定测试, 根据OH自由基在标定系统中的壁碰撞损失对FAGE系统中探测的OH自由基荧光数进行修正, 实验结果表明修正后的OH自由基荧光数和OH自由基浓度之间有着良好的相关性, 这说明HO_x自由基湍流标定系统具有很好的准确性, 并且体积小方便携带, 适用于外场复杂环境条件下的系统标定。     

基于GOSAT卫星数据的大气甲烷反演误差分析及校正

大气甲烷(CH₄)高精度反演受到多种因素的影响,其中地表特征和大气状态的不确定性是重要的影响因素,如地表反射率、温度、湿度和压力廓线。地表反射率受到诸多因素的影响,难以获得精确的数据,会给反演结果带来较大误差。温度、湿度和压力廓线的不确定性亦是反演误差的重要来源,由此产生的系统误差难以避免,单独利用CH₄吸收带进行反演难以消除此种误差。针对各种参数不确定性的影响,本文提出比值光谱法和CO₂吸收带校正法进行校正。比值光谱法通过将绝对辐亮度谱转化为比值光谱,抑制地表反射率在反演过程中的作用。CO₂吸收带校正法利用CO₂ 1.61 μm吸收带,将CH₄柱含量转化为CH₄体积混合比,校正温度、湿度和压力廓线不确定性引起的系统误差。通过将两种校正方法结合,可同时抑制地表反射率和温度、湿度、压力廓线不确定性产生的影响,减小反演误差。利用温室气体观测卫星(GOSAT)的观测数据进行大气CH₄反演,采用比值光谱法和CO₂吸收带校正上述误差,结果显示校正后的CH₄体积混合比与GOSAT-Level2产品相当接近,反演精度可达-0.24%,反演结果较为稳健可靠。研究表明,比值光谱法和CO₂吸收带校正法可有效校正地表特征和大气状态参数不确定性引起的误差,提高大气CH₄反演精度。     

26 ℃和常压至1.5 GPa压力下2-甲基戊烷拉曼光谱研究

利用碳化硅压腔在常压至1.5 GPa和26 ℃条件下对液态2-甲基戊烷进行了拉曼光谱测量,讨论了C—H拉曼峰频率、强度、面积、以及谱峰宽度随压力升高的变化规律。实验结果表明,2-甲基戊烷的拉曼位移在2 800～30 00 cm-1范围内的CH₃和CH₂的伸缩振动谱峰随着压力的增大均连续向高波数位移,其拉曼位移与压力的关系可以表示为ν_as(CH₃)=0.013 1p+2 960.1,ν_s(CH₃)=0.008 8p+2 871.0,ν_as(CH₂)=0.008 9p+2 930.2,ν_as(CH₂)’=0.007 0p+2 903.1和ν_s(CH₂)=0.007 9p+2 844.7。另外处理实验结果时发现,在0～1.5 GPa条件下,2-甲基戊烷的ν_as(CH₃)拉曼位移可以进行压力标定,其方程为：P(MPa)=76.2(Δν_p)_{2 960}+21.65(r2=0.995 8)。该压力体标定剂,适合于不希望有Si和Al等元素出现的体系。     

基于迭代算法的大气HONO和NO2开放光路宽带腔增强吸收光谱测量

气态亚硝酸(HONO)作为羟基(OH)自由基的重要前体物,在大气中浓度低、寿命短、易损耗且活性强,针对大气HONO的高灵敏度测量具有一定的挑战.本文介绍了基于迭代算法的开放光路宽带腔增强吸收光谱(OP-BBCEAS)技术应用于大气HONO和NO₂的测量.常规BBCEAS技术通过将经滤膜过滤后的环境空气由泵压入/抽入光学腔内进行测量,尽管可以减小气溶胶消光对测量的影响,但针对一些活性组分的测量则需要考虑光学腔和采样造成的吸附损耗和二次生成等壁效应.本文采用OP-BBCEAS技术,开放光路的测量模式避免了上述壁效应的影响,基于迭代反演算法通过多次迭代确定有效吸收光程,然后采用差分光学吸收光谱的光谱拟合方法对光谱中HONO和NO₂的吸收进行定量,克服了气溶胶颗粒Mie散射消光和光源波动的宽带变化影响.在轻度(PM_2.5 <75μg/m~3)和中度(PM_2.5> 75μg/m~3)不同气溶胶污染状况下测量了实际大气HONO和NO₂浓度,并同时与常规封闭腔BBCEAS系统开展...     

气相中自由基OH在不同催化剂下对甲酰氟FCHO进行提氢反应的理论性研究

分别在水、甲酸和硫酸存在的情况下,通过CCSD(T)//M06-2X/6-311++G(3df,3pd)的理论方法,对大气中自由基OH提取甲酰氟FCHO上的氢进行了反应机理和动力学的研究.计算结果表明相对于反应物,加入催化剂的过渡态的能垒从3.64 kcal/mol分别下降到-2.89、-6.25和-7.76 kcal/mol,表明水、甲酸和硫酸在甲酰氟FCHO和自由基OH提氢反应中起了重要作用.通过运用具有Eckart隧道校正的传统过渡态理论计算出的动力学数据表明通道X...FCHO+OH(X=H₂O, HCOOH,或者H₂SO₄)要比通道X...OH+FCHO更有利于反应的发生.催化剂水、甲酸和硫酸的加入使甲酰氟FCHO 和自由基OH提氢反应的速率常数要比不加催化剂时小,说明了催化剂的加入不能促进大气中甲酰氟FCHO和自由基OH的反应.     

氯原子引发的甲基过氧化氢大气光化学反应

有机过氧化物在大气化学过程中起着重要作用 ,并对城市大气质量有着重要影响 ,然而 ,目前对它们大气化学行为的了解还非常不够 ,尤其缺少定量的研究。文章利用长光路傅里叶变换红外光谱 (长光路FTIR)仪原位跟踪反应进程 ,进行实验室模拟研究大气中非常重要的一种有机过氧化物 ,即甲基过氧化氢(CH3OOH ,MHP)的大气光化学反应。反应在内配有红外光多次反射镜 (White镜 )的 2 8 5L静态石英反应池中进行 ,采用氯原子 (Cl)引发反应 ,温度为 (2 92± 2 )K ,压力为 9 3× 10 4 Pa(2 0 %O2 80 %N2 )。FTIR光谱表明反应产物中主要包括甲醛 (HCHO)、甲酸 (HCOOH)、一氧化碳 (CO)和二氧化碳 (CO2 ) ,此外还有少量的甲醇 (CH3OH)生成。测定了前三种主要产物在反应 6 0min内的产率 :HCOOH和CO产率分别为 2 4 %和 6 % ;而HCHO浓度先增后减 ,浓度达到峰值时产率为 5 0 %。根据实验结果探讨了可能的反应机理 ,指出MHP是大气中HOx 自由基的储库分子 ,对整个大气光化学反应的进程有重要作用     

二甲醚/空气对向流扩散燃烧反应历程的数值研究

本文采用详细化学反应动力学模型对二甲醚对向流扩散燃烧火焰进行了数值模拟,通过分析二甲醚燃烧过程中基元反应速度、关键中间产物和自由基,得到了二甲醚在对向流扩散燃烧中氧化的主要反应途径.结果表明,反应主要发生在高温区域(大于 800 K),CH2O、H2 和 CH4是重要的中间产物;OH、H 和 CH3是重要的自由基,在生成 CO、CO2和 H2O 的过程中起到关键性作用.     

水辅助下的OH自由基与CH_3OOH气相反应机理的理论研究

利用量子化学计算方法对单个水分子不存在与存在的情况下OH自由基与CH3OOH的气相氢抽取反应进行了理论研究.在BHand HLYP/6-311++G(2df,2pd)理论水平下优化了所有驻点的几何构型,在此基础上利用CCSD(T)/cc-p VTZ方法对所有驻点的单点能重新进行了计算.计算结果表明,OH自由基与CH3OOH反应的主要通道是OH自由基抽取CH3OOH中的-OH基团上的H原子.在单个水分子存在的情况下,反应的主要通道没有改变,但是水化过渡态的能量显著地降低,显然单个水分子对OH+CH3OOH反应具有催化效应.     

水辅助下的OH自由基与CH3OOH气相反应机理的理论研究

利用量子化学计算方法对单个水分子不存在与存在的情况下OH自由基与CH3OOH的气相氢抽取反应进行了理论研究。在BHandHLYP/6-311++G(2df,2pd)理论水平下优化了所有驻点的几何构型,在此基础上利用CCSD(T)/cc-pVTZ方法对所有驻点的单点能重新进行了计算。计算结果表明,OH自由基与CH3OOH反应的主要通道是OH自由基抽取CH3OOH中的-OH基团上的H原子。在单个水分子存在的情况下,反应的主要通道没有改变,但是水化过渡态的能量显著地降低,显然单个水分子对OH+CH3OOH反应具有催化效应。     

Theoretical study on the mechanism and kinetics of atmospheric reactions NH2OH + OOH and NH2CH3 + OOH

Mechanism and kinetics of NH₂OH + OOH and NH₂CH₃ + OOH reactions were studied at the B3LYP and M062X levels of theory using the 6-311++G(3df, 3pd) basis set. The NH₂OH + OOH and NH₂CH₃ + OOH reactions proceed through different paths which lead to different products. Transition state structure and activation energy of each path were calculated. The calculated activation energies of hydrogen abstraction reactions were smaller than 25 kcal/mol and of substitution reactions are in the range of 50–70 kcal/mol. The rate constants were calculated using transition state theory (TST) modified for tunneling effect at 273–2000 K.     

甲基自由基在212.5 nm的光分解:母体内能态的激发对产物态分布的影响

利用里德堡氢原子飞渡时间谱的方法,进行了甲基自由基在212.5nm 的光解动力学的实验研究.甲基自由基来自于碘甲烷分子在266nm 的光分解.实验测量了不同振动态的甲基自由基通过3s 电子激发态解离的产物 CH_2自由基的平动能分布和角分布,并从平动能分布得到了 CH_2自由基的转动布居.实验同时详细地研究了母体分子甲基自由基的振动和转动激发对光解动力学的影响.实验结果表明母体分乙甲基自由基的伞形振动对于产物的转动激发和角分布均有较大的影响,而母体分子的转动激发只对产物的角分布有较明显的影响.     

Structures and thermochemistry of methyl ethyl sulfide and its hydroperoxides: HOOCH2SCH2CH3, CH3SCH(OOH)CH3, CH3SCH2CH2OOH,and radicals

Hydroperoxides and the corresponding peroxy radicals are important intermediates during the partial oxidation of methyl ethyl sulfide (CH₃SCH₂CH₃) in both atmospheric chemistry and in combustion. Structural parameters, internal rotor potentials, bond dissociation energies, and thermochemical properties (ΔH_f^o, S^o and C_p(T)) of 3 corresponding hydroperoxides CH₂(OOH)SCH₂CH₃, CH₃SCH(OOH)CH₃, CH₃SCH₂CH₂OOH of methyl ethyl sulfides, and the radicals formed via loss of a hydrogen atom are important to understanding the oxidation reactions of MES. The lowest energy molecular structures were identified using the density functional B3LYP/6‐311G(2d,d,p) level of theory. Standard enthalpies of formation (ΔH_f^o₂₉₈) for the radicals and their parent molecules were calculated using the density functional B3LYP/6‐31G(d,p), B3LYP/6‐31 + G(2d,p), and the composite CBS‐QB3 ab initio methods. Isodesmic reactions were used to determine ?H_f^o values. Internal rotation potential energy diagrams and rotation barriers were investigated using the B3LYP/6‐31G(d,p) level theory. Contributions for S^o₂₉₈ and C_p(T) were calculated using the rigid rotor harmonic oscillator approximation based on the structures and vibrational frequencies obtained by the density functional calculations, with contributions from torsion frequencies replaced by internal rotor contributions. The recommended values for enthalpies of formation of the most stable conformers of CH₃SCH₂CH_2, CH₂(OOH)SCH₂CH₃, CH₃SCH(OOH)CH₃, and CH₃SCH₂CH₂OOH are ?14.0, ?33.0, ?37.2, and ?32.7 kcal/mol, respectively. Group additivity values were developed for estimating properties of structurally similar and larger sulfur‐containing peroxides. Groups for use in group additivity estimation of sulfur peroxide thermochemical properties were developed.     

线-板式脉冲电晕放电反应器的发射光谱研究

以发射光谱法为基础,检测了常压状态线-板式脉冲电晕放电过程OH自由基在反应器内的空间分布;研究了线电极直径,线线间距以及线板间距对生成OH自由基的影响;从而明确脉冲电晕放电反应器的性能。结果显示:OH自由基浓度沿线电极X轴方向逐渐降低,活化区域半径20mm左右,沿Y轴方向先升高后降低,活化区域半径大于30mm;线电极的直径小于2mm时,OH自由基的光谱强度基本不变,线电极直径继续增大,发射光谱强度随之迅速下降。线线间距逐渐增大,OH自由基的发射光谱强度随之增强。OH自由基的发射光谱强度随着线板间距的增大而降低。     

针对SHS探测仪的中高层OH自由基临边观测仿真研究

大气OH自由基是大气中各组分光化学反应的重要媒介,对大气其他成分的形成和转化起重要作用。利用MLS传感器2005年-2009年的OH全球浓度数据产品构建OH浓度时空数据库和Lifbase光谱分析软件构建OH发射光谱数据库,改进了SCIATRAN辐射传输模型,计算了基于空间外差光谱(SHS)技术的探测仪的临边探测仿真图像,并提取了大气OH自由基荧光发射在观测能量中的贡献。基于辐射传输理论,通过定量计算分析了仿真过程中各个参量不确定度对仿真结果和OH荧光能量的定量影响。该研究结果不仅能为我国构建中高层OH自由基探测仪提供科学理论支撑,还能为探测仪器相关参数设计提供依据。