“氧氣起源”新機制：二氧化碳分子的電子貼附解離

羅毅

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室(籌)，合肥230026)

“氧氣起源”新機制：二氧化碳分子的電子貼附解離

羅毅

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室(籌)，合肥230026)

地球上絕大多數(shù)生物對氧氣(即穩(wěn)定的基態(tài)氣體氧分子)的依賴性不言而喻，但是在關(guān)于“氧氣起源”及其演化(例如“大氧氣事件”)尚存在許多不解之謎1。在無生命的地球早期，不存在光合作用產(chǎn)生氧的生物化學(xué)過程，而通常認為氧原子參與的三體復(fù)合反應(yīng)O+O+M→O2+M是產(chǎn)生氧分子的主要通道，這里的自由氧原子O則是CO2分子的光解產(chǎn)物；自由原子或分子M作為第三體，通過原子分子間的相互作用參與復(fù)合反應(yīng)中的能量分配或轉(zhuǎn)移2。上述過程還常見于地球的“極光”中，因為這個反應(yīng)中直接產(chǎn)生的是亞穩(wěn)態(tài)O2分子，這些亞穩(wěn)態(tài)O2分子可與其它分子碰撞而發(fā)光。2014年10月美國加州大學(xué)戴維斯分校化學(xué)系的伍灼耀教授研究組發(fā)現(xiàn)波段為101.5－107.2 nm真空紫外光光解CO2過程中可以直接產(chǎn)生電子基態(tài)O2分子3。這是對原有“氧氣起源”機制的一個重要補充。

2015年，中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室(籌)田善喜教授研究組利用自主研制的儀器完成了低能量電子貼附CO2分子解離的實驗研究，通過探測產(chǎn)物C－負離子碎片的三維動量空間分布，確認了三體和兩體解離動力學(xué)過程：e－+ CO2→CO2－→C－+2O/C－+O2。由于許多星球(特別是金星、火星)的外層大氣中存在大量的CO2以及低能量電子，兩體解離產(chǎn)生C－+O2反應(yīng)對于“氧氣起源”的貢獻不可忽視。這項研究成果最近被國際著名雜志Nature Chem istry接收發(fā)表4。這項工作意義在于：可以解釋新近發(fā)現(xiàn)火星上氧氣5的產(chǎn)生機理；在星際空間物質(zhì)演化探索中，“電子貼附解離”這一特殊物理化學(xué)反應(yīng)機制應(yīng)該予以重視，特別是在構(gòu)建星際空間“氧”相關(guān)循環(huán)化學(xué)反應(yīng)模型時。

在外空間粒子、射線的探測中，天體物理學(xué)的研究主要集中在高能粒子(包括高能量電子)和射線的探測，其重要性在于它們與星球演變、暗物質(zhì)等密切相關(guān)；而低能量電子、離子、原子、分子的碰撞是化學(xué)反應(yīng)的主要形式。目前，星際空間化學(xué)研究還主要利用光譜技術(shù)探測和分析星際空間存在的分子、離子種類，而關(guān)于它們?nèi)绾萎a(chǎn)生以及演化的動力學(xué)研究還相當(dāng)薄弱。星際空間的電子、離子、原子、分子低能量碰撞過程發(fā)生在真空、極低溫度、復(fù)雜電磁場的環(huán)境中。在實驗室構(gòu)建和模擬星際空間環(huán)境，開展星際化學(xué)和天體化學(xué)動力學(xué)研究有待加強。

References

(1)Holland,H.D.Phil.Trans.R.Soc.B 2006,361,903.doi: 10.1098/rstb.2006.1838

(2)Kasting,J.F.;Liu,S.C.;Donahue,T.M.J.Geophys.Res. 1979,84,3097.doi:10.1029/JC084iC06p03097

(3)Lu,Z.;Chang,Y.C.;Yin,Q.Z.;Ng,C.Y.;Jackson,W.M. Science2014,346,61.doi:10.1126/science.1257156

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(5)Mahaffy,P.R.;Webster,C.R.;Atreya,S.K.;etal.Science 2013,341,263.doi:10.1126/science.1237966

10.3866/PKU.WHXB201602172