気相から核生成するナノ粒子と水の相互作用： 新粒子生成の実験的探求

• Project/Area Number: 18J01345
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Environmental dynamic analysis
• Research Institution: National Institute for Environmental Studies
• Principal Investigator: 石塚 紳之介 国立研究開発法人国立環境研究所, 環境計測研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 気液界面 / オリゴマー化 / 二次有機エアロゾル

Outline of Annual Research Achievements

フィールド観測される二次有機エアロゾル (SOA) の量を説明するためには，気相中での化学反応以外のメカニズムが必要であると指摘されている．例えば，水を含むエアロゾル界面での化学反応により低揮発性の分子が生成し，安定な核が生成する機構が提案されている．近年，バルクpH<4 の気液界面では，二重結合をもつ有機化合物はヒドロニウムイオン (H3O+) からプロトンを受け取り，カルボカチオンを生じることが明らかになった．カルボカチオンは反応性が高く，他のC=C 二重結合をもつ化合物と反応し，高分子量体を生成する (カチオン重合)．エレクトロスプレーイオン化質量分析法 (ESI-MS) によって， VOC の水表面での化学反応をその場測定し，SOA の生成や成長における核となりうる高分子量体が水表面でどのように生じるかを調べた．
アルコール基を含む揮発性有機化合物の吹き付け実験を行った．OH基がヒドロニウムイオン (H3O+) からプロトンを受け取り，オキソニウムイオン (R-OH2+) が生じることが確認された．また，揮発性有機化合物が二重結合を含む場合にアルコールが脱水したオリゴマーやエーテルが生成することが確認された．酸性気液界面でオキソニウムイオンが脱水し，それに伴ってカチオン重合が開始すると考えられる．また，カルボカチオンがアルコールの求核攻撃を受けることで，エーテルが生じたと考えられる．二重結合を含む揮発性有機化合物についてのみ，脱水重合，及びエーテル化が確認されたことから，本実験においても気液界面での水との相互作用によってカルボカチオン中間体が安定化した影響があると考えられる．

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Acid-Catalyzed Oligomerization at the Air-Water Interface Modified by Competitive Adsorption of Surfactants (2019)
  • Author(s): Ishizuka Shinnosuke、Hama Tetsuya、Enami Shinichi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 123 Issue: 35 Pages: 21662-21669
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b07380
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Interfacial Water Mediates Oligomerization Pathways of Monoterpene Carbocations (2019)
  • Author(s): Ishizuka Shinnosuke、Matsugi Akira、Hama Tetsuya、Enami Shinichi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 11 Issue: 1 Pages: 67-74
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b03110
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Controlling factors of oligomerization at the water surface: why is isoprene such a unique VOC? (2018)
  • Author(s): Shinnosuke Ishizuka, Tomihide Fujii, Akira Matsugi, Yosuke Sakamoto, Tetsuya Hama, and Shinichi Enami
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 22 Pages: 15400-15410
  • DOI: 10.1039/c8cp01551a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chain-propagation, chain-transfer, and hydride-abstraction by cyclic carbocations on water surface (2018)
  • Author(s): Shinnosuke Ishizuka, Akira Matsugi, Tetsuya Hama, and Shinichi Enami
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 20 Issue: 39 Pages: 25256-25267
  • DOI: 10.1039/c8cp04993a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Immiscibility of Nucleating Aluminum Oxide Nanoparticles in Vapor (2018)
  • Author(s): Ishizuka Shinnosuke、Kimura Yuki、Kawano Jun、Escribano Rafael、Yamazaki Tomoya、Hama Tetsuya、Sato Rikako
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Issue: 43 Pages: 25092-25101
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b08355
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] In-situ mass spectrometry of propagating carbocations at the air-water interface (2018)
  • Author(s): Shinnosuke Ishizuka, Akira Matsugi, Tetsuya Hama, Shinichi Enami
  • Organizer: 高分子討論会
• [Presentation] What factors control cationic oligomerizations at the air/water interface? (2018)
  • Author(s): Shinnosuke Ishizuka, Akira Matsugi, Tetsuya Hama, Shinichi Enami
  • Organizer: 35th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] What factors control the oligomerization of volatile organic compounds on atmospheric particles? (2018)
  • Author(s): Shinnosuke Ishizuka, Tomihide Fujii, Akira Matsugi, Yosuke Sakamoto, Tetsuya Hama, Shinichi Enami
  • Organizer: JpGU 2018
• [Presentation] The kinetics of the early stages of cationic polymerization at the air/water interface (2018)
  • Author(s): Shinnosuke Ishizuka, Tomihide Fujii, Akira Matsugi, Yosuke Sakamoto, Tetsuya Hama, Shinichi Enami
  • Organizer: JpGU 2018