2025年中國分析測試科學獎一等獎：自發/受激拉曼揭示灰霾新機制
完成單位：北京理工大學、中國科學院化學研究所、江蘇海洋大學
完成人：張韞宏，葛茂發，劉湃，黃啟燊，黃保坤，張秀輝，劉玲，寧安，張曉武，龐樹峰
成果簡介：
本成果面向我國大氣復合污染治理需求，基于氣溶膠光鑷及自發/受激拉曼技術，建立了精確的測量痕量氣體、懸浮微米液滴物性及氣–液反應過程的原位光譜方法，系統地揭示了二次氣溶膠形成與老化的關鍵理化性質及演化規律，闡明氣溶膠表面催化加速污染物轉化的機理與動力學主控因素，并為大氣化學模式提供了關鍵參數。成果形成“大氣多相酸堿置換理論”“氣溶膠表面錳催化SO?轉化機制”等原創理論，有效地解釋了華北灰霾中硫酸鹽的快速積累，入選2021年中國生態環境十大科技進展。系列研究以多相過程精密測量和機理解析推動灰霾成因認知的提升，構建適應我國污染特征的“霾化學”理論，為污染防控與全球大氣環境改善提供了重要科學支撐。
創新點及科學價值：
針對傳統理論難以刻畫我國霾污染形成的瓶頸，以氣溶膠光鑷及自發/受激拉曼技術為主線，從測量方法到機理解析開展系統研究，突破傳統大氣化學理論局限，系統揭示二次氣溶膠形成與演化機制，完善“霾化學”理論，取得以下關鍵創新：1）建立單懸浮液滴多相反應的光鑷?受激拉曼測量方法：圍繞SO?的非催化與過渡金屬催化氧化以及硝酸鹽光解過程，量化pH、離子強度、金屬離子、溫度等因素對反應速率的復雜影響，為二次氣溶膠源解析和大氣氧化性評估提供核心數據；2）建立氣溶膠pH演化的原位表面增強拉曼方法：揭示氯損耗與氨損耗過程中的酸度變化規律，實現微米液滴老化過程中pH的連續動態測量；3）建立了拉曼積分球痕量氣體檢測方法：實現包括CO?、NH3、SO?、NO?以及有機氣態小分子在內的多組分氣體的快速、準確、原位定量檢測；4）揭示氣液界面加速污染物轉化的機理與動力學縮放規律：明確界面加速在多相反應中的主導作用，提出反應速率按表面積而非體積縮放的新規律，為大氣化學模式中的界面反應參數化提供理論依據，并為界面主導的二次污染生成提供關鍵證據；5）提出氣溶膠表面錳催化主導灰霾期間硫酸鹽快速生成機制：通過實驗室模擬、區域模式和外場觀測協同證實，氣溶膠表面Mn2?高效催化SO?氧化是我國灰霾期間硫酸鹽爆發式積累的主因，成果入選2021年中國生態環境十大科技進展。
社會經濟效益：
本成果緊密服務于我國大氣污染治理，研制了具有完全自主知識產權的“懸浮單液滴測量儀”和“拉曼積分球光譜儀”，實現了真實PM?.?尺度下的高時間與空間分辨原位測量，首次精確跟蹤大氣實際條件下氣溶膠表界面反應和非平衡過程，突破了傳統實驗對粒徑、濃度及反應動態的限制。儀器小型化和高靈敏度設計為大氣灰霾深度減排、一地一策研究提供技術支撐，已授權及申請多項發明專利。拉曼積分球系統可高效測量多組分痕量氣體，拓展至工業排放監控、能源安全、食品與燃燒監測等領域，為政策制定、污染源管理和區域聯防聯控提供直接可操作的科學依據，社會經濟效益顯著。
應用前景：
本成果構建的體系與方法對大氣化學、環境監測、健康效應與能源排放控制研究具有重要支撐作用，可擴展至復雜真實顆粒物，為空氣質量預測和實時監測提供關鍵參數，形成技術―理論―應用的閉環體系，對大氣治理與氣候應對具有持久價值。
