碳表面水吸附驱动界面电荷转移与氢自由基生成的大气化学新机制

本文揭示了疏水碳表面水吸附过程中氢键网络演化驱动界面电荷转移（CE）的新机制，发现该过程可自发产生活性氢自由基（•H）并促进硝酸盐还原等大气界面反应，为理解非生物性甲烷生成、污染物转化等大气还原过程提供了全新视角。

　　

亮点

材料与试剂

疏水碳纳米颗粒购自Orion化学公司（直径范围50-100纳米），其主要成分为元素碳。硝酸根（NO₃^?）和亚硝酸根（NO₂^?）标准溶液购自国家标准物质中心。同位素标记的KN¹⁸O₃（98 at.%）购自上海元能生物科技有限公司，而自旋捕获剂DMPO则来自阿拉丁试剂公司。

碳表面水吸附关联的新电子供体发现

为探究碳表面水吸附过程是否诱发电子供体，我们构建了水吸附理论模型。高取向热解石墨（HOPG）以sp2杂化碳为主骨架，恰是水吸附诱导接触起电（CE）过程的核心载体。尽管存在微形貌差异，HOPG光滑表面为原位观测提供了理想窗口。当水分子与碳表面邂逅，氢键网络如同微电路般快速组装，触发电子定向迁移。这种界面"分子电路"现象，通过固体核磁共振（NMR）中特征氢信号涨落得以捕获，证实了吸附水层从无序到有序的动态重构。更有趣的是，拉曼光谱捕捉到碳骨架振动模式的能量转移，暗示水分子网络如同"电子梭"般介导了界面还原力的传递。

结论

总之，疏水碳表面水吸附过程中，界面水分子网络通过接触起电（CE）效应促进电子转移，进而助推氢自由基（•H）生成和硝酸盐界面还原。水分吸附初期以氢键网络形成为特征，继而水分子有序铺展，使得碳表面还原产物浓度呈现先升后稳的动力学曲线。这一发现将界面还原反应与吸水过程中的氢键网络演化相关联，通过质谱检测H₂¹⁸O同位素标记产物，揭示了吸附水促发的界面还原新路径。该研究深化了水分子行为与界面反应耦合机制的认识，为大气细颗粒表面自发性还原反应提供了分子级解读。