烟炱（soot）是碳质燃料（如煤、油、秸秆等）不完全燃烧的产物。从工厂或汽车尾气中排放到大气中的烟炱是大气气溶胶的重要组分，传统研究认为烟炱颗粒是由元素碳（EC）构成的碳核和外面包裹的有机碳（OC）构成，在大气传输过程中会发生化学反应而老化，具有负面健康效应和气候效应。受限于已有认知和分析手段，目前对烟炱碳核的微观结构特性仍未明晰，对其在太阳光照下的反应机制缺乏深入探究，因而限制了对烟炱颗粒的大气光化学老化过程中的角色认识。烟炱的微观结构是什么？在太阳光照下会发生怎样变化？该变化是否会导致更强的负面健康效应？北京大学环境科学与工程学院尚静课题组针对这些问题给予了科学系统的回答。系列研究成果发表在Environmental Science & Technology、Environmental Pollution、ACS Applied Materials & Interfaces等国际知名期刊上。
课题组由烟炱中EC碳核的微观结构和性能切入，采用全面的表面物化特性分析手段，结合先进的电子顺磁共振技术测定光生电子、空穴和自由基，首次揭示了一层层洋葱状的烟炱颗粒的碳核具有类还原氧化石墨烯（rGO）的微观结构（https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116079），即层状堆积的碳六元环π-π共轭骨架上结合有少量的环氧、羰基和羧基等功能基团。课题组前期研究发现具有这种sp2域以及表面缺陷结构的rGO具有良好的光催化性能（https://doi.org/10.1021/acsami.9b18899）。因此，“类rGO”的本征结构特性使得烟炱在可见光照下具有光催化能力，可以通过电子转移途径产生超氧阴离子自由基、羟基自由基等活性氧物种（ROS）。
尚静课题组进一步采用环境舱模拟了可见光照射下烟炱气溶胶的物化特性和毒性变化，对比了光照前后烟炱颗粒的水溶性有机碳、多环芳烃、氧化潜势等指标。由前述的微结构特性出发，揭示了烟炱颗粒的光化学自氧化机制。光化学反应由EC碳核的光催化活性引发，产生的ROS遵循自内而外的途径氧化烟炱颗粒表面的有机物，导致烟炱颗粒的氧化潜势显著增强，从而具有潜在的更强的健康损伤效应（https://doi.org/10.1021/acs.est.0c01150）。
烟炱颗粒的“类rGO”结构及其导致的光催化自氧化过程和增强的负面健康效应
该系列研究揭示了大气烟炱颗粒的“类rGO”结构特点和光催化活性，提出的烟炱颗粒的光催化自氧化机制为探讨其在大气化学反应中的意义提供了新的认知，也为评价烟炱颗粒的健康和气候效应提供了新的理论基础。烟炱光催化自氧化方面的研究成果发表在Environmental Science & Technology和Environmental Pollution期刊上，博士生朱佳丽为论文第一作者，尚静为通讯作者；rGO光催化方面的工作发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上，博士生旷宇为第一作者，尚静和朱彤为共同通讯作者。研究受到国家自然科学基金面上项目资助（21876003，21577003）。
论文链接：
Zhu JL, Shang J*, Chen YY, Kuang Y, Zhu T, Reactive oxygen species-related inside-to-outside oxidation of soot particles triggered by visible-light irradiation: physicochemical property changes and oxidative potential enhancement, Environ. Sci. & Technol., 2020, 54(14), 8558-8567.
https://doi.org/10.1021/acs.est.0c01150
Zhu JL, Shang J*, Zhu T, A new understanding of the microstructure of soot particles: The reduced graphene oxide-like skeleton and its visible-light driven formation of reactive oxygen species, Environ. Pollut., 2021, 270, 116079.
https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.116079
Kuang Y, Shang J*, and Zhu T*, Photoactivated graphene oxide to enhance photocatalytic reduction of CO2, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12(3), 3580-3591.
https://doi.org/10.1021/acsami.9b18899
