Карбонатная система природы, динамическая химия с участием двуокиси углерода (CO2), карбоната (CO32-), бикарбоната (HCO 3-) и угольная кислота (H2CO3) являются жизненно важными компонентами биосфера. Карбонат, бикарбонат и угольная кислота образуются, когда атмосферный углекислый газ растворяется в океанах, которые являются крупнейшим поглотителем этого парникового газа. Исследователи заинтересованы в лучшем понимании карбонатной системы, чтобы потенциально помочь упростить схемы секвестрации углерода, особенно минералов, связывающих углерод, чтобы помочь смягчить изменение климата. Карбонатная система также играет центральную роль в системах биологического дыхания, что является еще одной причиной интереса исследователей к этой химии.
Недавно группа химиков из Калифорнийского университета в Беркли объединилась с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL) и сделала революционные открытия о поведении карбонатов на поверхности соленой воды, такой как океан. На этой неделе они сообщают о своих выводах в «Журнале химической физики» издательства AIP.
По словам одного из авторов статьи, профессора химии Калифорнийского университета в Беркли Ричарда Сайкалли, сильной мотивацией для этого исследования было понимание химических процессов, связанных с секвестрацией углерода. Они обнаружили, что, хотя нейтральная угольная кислота в наибольшей степени присутствовала на поверхности, как и ожидалось, более сильно заряженный ион карбоната присутствовал в большем количестве, чем более слабый бикарбонат.
«Мы хотим в целом улучшить наше понимание глобального углеродного цикла», - сказал Сайкалли. «Аспекты этого цикла, на которых мы сосредоточились, начинаются с растворения углекислого газа в атмосфере в соленой воде, за которым следует очень интересная химия».
Углекислый газ захватывается поверхностью воды и гидратируется с образованием угольной кислоты или бикарбоната, который затем может ионизироваться в бикарбонат или карбонат, где карбонат может реагировать с растворенными ионами магния или кальция с образованием известняка.
«Мы хотим знать все эти шаги от газообразного углекислого газа в атмосфере до известняка», - сказал Сайкалли. «Наша цель - понять все детали на всех этапах этого процесса».
Кандидат кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли Ройс Лам, соавтор статьи, руководивший большей частью исследования, хотел опираться на более ранние исследования структуры гидратации видов углеродной системы, сосредоточив внимание на относительной распространенности карбонатных видов. на поверхности жидкости.
Сотрудничая с доктором Хендриком Блюмом из LBNL, Лам и его соавторы использовали луч фотоэмиссионной спектроскопии атмосферного давления (APPES) (11.0.2) на синхротроне Advanced Light Source в LBNL для проведения рентгеновской фотоэмиссии. измерения спектроскопии (XPS) - способ исследования молекулярного состава материалов с использованием интенсивного пучка высокоэнергетических рентгеновских лучей. Система XPS позволила им исследовать различные аспекты карбонатной системы, к которым они раньше не имели доступа.
«Что особенного в XPS, так это то, что он позволяет нам исследовать водную поверхность на разной глубине», - сказал Лам. «Это один из немногих каналов в мире, на котором можно проводить эксперименты такого класса с жидкостями».
Для образцов Лам объединил растворы карбонатов и соляной кислоты, что случайно напомнило океанскую систему. С помощью жидкостного микроструйного устройства исследователи ввели эти образцы в вакуумную камеру и исследовали их при различных энергиях рентгеновского излучения, чтобы определить относительное содержание карбонатных частиц по фотоэмитированным электронам.
На поверхности жидкости и карбоната, и угольной кислоты было больше, чем биокарбоната. Самым значительным сюрпризом стало то, что карбонат с более высоким зарядом был более распространен на поверхности, чем бикарбонат с меньшим зарядом, что противоречит ожиданиям существующих теоретических моделей..
Это поднимает важный вопрос о том, где бикарбонат может перемещаться в системе, с возможностью того, что карбонат может быть «ионным соединением» с натрием, изменяя химический состав и вызывая перемещение бикарбоната на более низкие глубины.
«Мы все еще работаем над теорией, и мы надеемся, что эта статья будет стимулировать дальнейшее теоретическое обсуждение, которое может дать окончательное понимание того, что здесь происходит», - сказал Лам.
Лэм надеется, что это исследование также приведет к более прямым исследованиям возможностей секвестрации углерода.
«Итак, следующим шагом будет дальнейшее изучение ионного спаривания и, по существу, образования известняка или минералов, в частности, изучение взаимодействия ионов кальция и магния с карбонатом», - сказал Лам об одной возможности секвестрации углерода. обсуждалось.
Сайкалли считает, что это исследование связано со всей системой химии водных карбонатов, с приложениями, варьирующимися от секвестрации углерода до биомедицинских исследований.
"Чтобы добиться таких успехов, я считаю, что вы должны знать каждую деталь химии, связанную со всеми этими этапами водно-карбонатной системы." - сказал Сайкалли. «Это очень сложная химия с глубокими практическими последствиями».