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大连化物所张东辉团队揭示OH + HCl反应中量子隧穿的本质
近日，大连化物所分子反应动力学国家重点实验室张东辉院士团队揭示了造成OH + HCl → H2O + Cl反应低温强非Arrhenius行为的共振诱导量子隧穿的本质机理。
在经典图像中，一个化学反应只有在碰撞能量高于势垒的情况下才会发生，反应速率对温度的依赖关系遵循Arrhenius公式。而在量子图像中，化学反应可以通过量子隧穿在低于反应势垒的能量下发生，导致反应速率在低温偏离Arrhenius行为。
OH + HCl → H2O + Cl反应因为释放氯原子，能催化平流层中的臭氧破坏反应，是南极洲臭氧空洞形成的原因，所以在大气化学中非常重要。实验测量的这个反应的速率常数在低温区域大大偏离了Arrhenius极限，并且在250K以下反应速率基本与温度无关。另外，实验还发现这个反应具有较大的H/D动力学同位素效应。所有这些现象都说明反应中存在重要的量子隧穿效应，然而造成量子隧穿的本质机理还是未知的。
本工作中，张东辉团队在新构建的精确基本不变量神经网络（FI-NN）势能面上对这个反应进行了详尽的含时量子波包计算，得到的热速率常数和实验结果吻合的很好。团队通过对散射波函数的分析发现，由于OH和HCl之间较强的氢键相互作用，OH + HCl反应在入口通道的弯曲/扭转激发振动绝热势阱中存在许多Feshbach共振态。这些共振态极大地诱导了氢原子通过反应势垒的量子隧穿效应，增强了低碰撞能区域的反应性，使得反应速率在低温表现出实验观察到的偏离Arrhenius行为。
过去十几年中，张东辉团队致力于探测化学反应中的共振，通过与实验的密切合作，他们在F+H2/HD/H2O/HOD反应中揭示了捕获在势垒之后区域HF振动激发绝热势阱中的Feshbach共振。而OH+HCl反应是第一次在入口区域发现Feshbach共振，这与之前研究过的其他大气过程都不相同。
相关研究成果以“Strong Non-Arrhenius Behavior at Low Temperatures in the OH + HCl → H2O + Cl Reaction Due to Resonance Induced Quantum Tunneling” 为题，于近日发表在《化学科学》（Chemical Science）上。该工作的共同第一作者是我所1113组徐昕副研究员和中国科学院福建物质结构研究所陈俊研究员。英国皇家化学会化学世界网站（Chemistry World）以“Quantum Tunnelling Enhances Ozone Decay”为题对该工作进行了亮点报道。该工作得到了国家自然科学基金的支持。（文/刘舒 图/徐昕）
