Synchrotron kaster røntgenlys på kulstofkemi ved havoverflader

Naturens karbonatsystem, den dynamiske kemi, der involverer kuldioxid (CO2), carbonat (CO32-), bikarbonat (HCO3-), og kulsyre (H2CO3), er en vital bestanddel af biosfæren. Karbonat, bikarbonat, og kulsyre opstår, når atmosfærisk kuldioxid opløses i havene, som er den største dræn for denne drivhusgas. Forskere er interesserede i bedre at forstå carbonatsystemet for potentielt at hjælpe med at lette kulstofbindingsordninger, især med kulstofbindende mineraler, at hjælpe med at afbøde klimaændringer. Karbonatsystemet er også centralt for biologiske respirationssystemer, endnu en grund til, at forskere er interesserede i denne kemi.

For nylig, en gruppe kemikere fra University of California, Berkeley slog sig sammen med forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) og gjorde banebrydende opdagelser om karbonatarternes adfærd ved saltvandsoverflader, som havets. De rapporterer deres resultater i denne uge i The Journal of Chemical Physics , fra AIP Publishing.

Ifølge en af ​​avisens forfattere, UC Berkeley kemiprofessor Richard Saykally, en stærk motivation for denne forskning var at forstå de kemiske processer involveret i kulstofbinding. De fandt ud af, at mens neutral kulsyre var stærkt til stede på overfladen, som forventet, den mere højt ladede carbonation var mere rigelig end den svagere bicarbonat.

"Vi ønsker generelt at fremme vores forståelse af det globale kulstofkredsløb, " sagde Saykally. "Aspekterne af denne cyklus, som vi har fokuseret på, begynder med, at kuldioxid i atmosfæren opløses i saltvand, efterfulgt af noget meget interessant kemi."

Kuldioxid opfanges af vandoverfladen og hydreres til dannelse af kulsyre eller bikarbonat, som derefter kan ionisere til enten bicarbonat eller karbonat, hvor carbonat kan reagere med opløste magnesium- eller calciumioner og danne kalksten.

"Vi ønsker at kende alle de trin, der går fra gasformig kuldioxid i atmosfæren til kalksten, " sagde Saykally. "Vores mål er at forstå alle detaljerne i alle trin i den proces."

UC Berkeley kemi doktorgradskandidat Royce Lam, en medforfatter til papiret, der ledede meget af forskningen, ønskede at bygge videre på tidligere undersøgelser af hydreringsstrukturen af ​​kulsyresystemarter, med fokus på de relative mængder af carbonatarter ved væskeoverfladen.

Samarbejde med LBNL's Dr. Hendrik Bluhm, Lam og medforfattere gjorde brug af den omgivende tryk fotoemissionsspektroskopi (APPES) beamline (11.0.2) ved Advanced Light Source synkrotronen ved LBNL, at udføre røntgenfotoemissionsspektroskopi (XPS) målinger - en måde at undersøge den molekylære sammensætning af materialer ved hjælp af en intens stråle af højenergi røntgenstråler. XPS-systemet gjorde det muligt for dem at undersøge forskellige aspekter af karbonatsystemet, som de ikke havde adgang til før.

"Det særlige ved XPS er, at det giver os mulighed for at sondere på forskellige dybder i vandoverfladen, " sagde Lam. "Dette er en af ​​de få strålelinjer i verden, der kan udføre denne klasse af eksperimenter på væsker."

For prøver, Lam kombinerede opløsninger af carbonatarterne og saltsyre, som tilfældigvis lignede havsystemet. Med en flydende mikrojet-enhed, forskerne sprøjtede disse prøver ind i et vakuumkammer og undersøgte dem ved flere røntgenenergier for at udlede de relative mængder af carbonatarterne fra de fotoemitterede elektroner.

Ved væskeoverfladen, både carbonat og kulsyre var mere rigeligt end biocarbonat. Den mest markante overraskelse var, at det mere højt ladede carbonat var mere rigeligt ved overfladen end det mindre ladede bicarbonat, som strider mod forventninger fra eksisterende teoretiske modeller.

Dette rejser vigtige spørgsmål om, hvor bikarbonatet kunne bevæge sig i systemet, med en mulighed for, at carbonatet kunne være "ionparring" med natrium, ændre kemien, og får bikarbonat til at bevæge sig til lavere dybder.

"Vi arbejder stadig på teorien, og vi håber, at dette papir vil stimulere yderligere teoretisk diskussion, som faktisk kan give endelige indsigter om, hvad der foregår her, " sagde Lam.

Lam håber, at denne forskning også vil føre til mere direkte forskning i mulighederne for kulstofbinding.

"Så, det næste skridt ville være at se nærmere på ionparring, og hovedsagelig kalksten eller mineraldannelse, specifikt, ser på interaktionen mellem calcium- og magnesiumioner med carbonat, " Lam sagde om en mulighed for kulstofbinding, han diskuterede.

Saykally mener, at denne forskning forbinder med hele systemet af vandig carbonatkemi, med applikationer lige fra kulstofbinding til biomedicinsk forskning.

"For at opnå den slags fremskridt, Jeg tror, ​​du skal kende alle detaljer i kemien, der er involveret i alle disse trin i vand-carbonat-systemet." Saykally sagde. "Det er en meget indviklet kemi med dybe praktiske implikationer."