ClONO2是用于研究大氣臭氧消耗的重要物種，其接觸到極地平流層云粒子(PSCs)的表面時會很快分解。ClONO2可以在云或氣溶膠的空氣-水界面參與各種反應(yīng)，將不活躍的氯氣儲存轉(zhuǎn)化為活性氯化合物。根據(jù)前人報道，ClONO2在冰上的多相反應(yīng)中Cl2O濃度增加，在大氣中，Cl2O是一種光解壽命短的活性氣體，它會對臭氧層造成消耗和破壞。有學(xué)者提出Cl2O可能是ClONO2與HOCl反應(yīng)生成的，而HOCl是ClONO2水解生成，但對ClONO2+HOCl反應(yīng)沒有詳細的討論。因此，有必要深入了解空氣-水界面上ClONO2和HOCl反應(yīng)的機理。
近日，賓夕法尼亞大學(xué)Joseph S. Francisco和北京師范大學(xué)朱重欽等報道了在氣-水界面ClONO2+HOCl反應(yīng)中生成平流層氯源Cl2O的反應(yīng)路徑。結(jié)果表明，雖然氣態(tài)水團簇可以顯著降低ClONO2+HOCl反應(yīng)的能壘，但是該反應(yīng)涉及的高能壘意味著它具有緩慢的大氣動力學(xué)。重要的是，水滴中ClONO2+HOCl反應(yīng)的分子模擬揭示了鹵素鍵作為ClONO2和HOCl之間主要相互作用的重要性。同時，研究人員還確定了兩種不同的反應(yīng)途徑：1.生成Cl2O，NO3-和H3O+；2.生成2HOCl，NO3-和H3O+。自由能曲線表明，Cl2O生成途徑比自催化途徑更有利。特別地，在空氣-水界面上形成的Cl2O幾乎無勢壘。此外，ClONO2在大氣氯化學(xué)中作為中心氯庫起著關(guān)鍵作用，它是由活性氯自由基ClO和NO2復(fù)合產(chǎn)生，并在氣溶膠的空氣-水界面被分解。研究表明，溶解在空氣-水界面上的ClONO2可以自發(fā)水解生成自由能壘僅為0.2 kcal mol?1的HOCl，HOCl進一步與ClONO2反應(yīng)生成Cl2O，在空氣-水界面處的ClONO2也可以擴散到水體中。然而，該過程的自由能壘相對于界面反應(yīng)要高得多，使得該過程相對非常緩慢。此外，ClONO2的水解反應(yīng)比Cl2O的生成反應(yīng)快。而Cl2O蒸發(fā)進入氣相，光解生成ClO和Cl，會對臭氧層造成消耗和破壞。綜上，該項工作強調(diào)了基本氯化學(xué)的重要性和氣溶膠空氣-水界面對大氣化學(xué)的廣泛影響。Molecular Insights into the Spontaneous Generation of Cl2O in the Reaction of ClONO2 and HOCl at the Air–Water Interface. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c06527
