Probing the dynamics and bottleneck of the key atmospheric SO 2 oxidation reaction by the hydroxyl radical

硫酸 化学 激进的 大气(单位) 反应机理 光化学 反应动力学 X射线光电子能谱 化学物理 无机化学 化学工程 分子 催化作用 气象学 有机化学 物理 工程类
作者
Dao-Fu Yuan,Yang Liu,Tarek Trabelsi,Yue-Rou Zhang,Jun Li,Joseph S. Francisco,Hua Guo,Lai‐Sheng Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (6): e2314819121-e2314819121 被引量:11
标识
DOI:10.1073/pnas.2314819121
摘要

SO 2 (Sulfur dioxide) is the major precursor to the production of sulfuric acid (H 2 SO 4 ), contributing to acid rain and atmospheric aerosols. Sulfuric acid formed from SO 2 generates light-reflecting sulfate aerosol particles in the atmosphere. This property has prompted recent geoengineering proposals to inject sulfuric acid or its precursors into the Earth’s atmosphere to increase the planetary albedo to counteract global warming. SO 2 oxidation in the atmosphere by the hydroxyl radical HO to form HOSO 2 is a key rate-limiting step in the mechanism for forming acid rain. However, the dynamics of the HO + SO 2 → HOSO 2 reaction and its slow rate in the atmosphere are poorly understood to date. Herein, we use photoelectron spectroscopy of cryogenically cooled HOSO 2 – anion to access the neutral HOSO 2 radical near the transition state of the HO + SO 2 reaction. Spectroscopic and dynamic calculations are conducted on the first ab initio-based full-dimensional potential energy surface to interpret the photoelectron spectra of HOSO 2 – and to probe the dynamics of the HO + SO 2 reaction. In addition to the finding of a unique pre-reaction complex (HO⋯SO 2 ) directly connected to the transition state, dynamic calculations reveal that the accessible phase space for the HO + SO 2 → HOSO 2 reaction is extremely narrow, forming a key reaction bottleneck and slowing the reaction rate in the atmosphere, despite the low reaction barrier. This study underlines the importance of understanding the full multidimensional potential energy surface to elucidate the dynamics of complex bimolecular reactions involving polyatomic reactants.
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