近日,中國科學院大連化學物理研究所袁開軍研究員、楊學明院士團隊,與南京大學謝代前教授合作,發(fā)現(xiàn)水分子在極紫外波段光照發(fā)生三體解離產(chǎn)生氧原子,為行星早期大氣中氧氣的起源提供了新思路。
氧元素在宇宙中的豐度僅次于氫元素和氦元素,但是游離的氧氣分子卻非常稀少。除了在地球上,氧氣僅在少數(shù)行星的大氣中被觀測到。地質(zhì)學家認為,在生物光合作用產(chǎn)氧之前,原始地球大氣中已經(jīng)存在少量的氧氣,這些氧氣的來源爭議很大。其中,二氧化碳光化學是主要的產(chǎn)氧途徑:CO2光解離產(chǎn)生CO+O,隨后兩個O原子復合產(chǎn)生O2。最近,天文觀測發(fā)現(xiàn)彗星67P大氣層中存在大量的氧氣和水,兩者的濃度有很強的相關性,表明彗星中氧氣的形成與水相關,但是相關的機制并不清楚。

利用大連相干光源,合作團隊系統(tǒng)研究了水分子光化學過程:將解離波長推進至90-110nm區(qū)域,發(fā)現(xiàn)水分子主要的解離過程是三體解離產(chǎn)生O+H+H;結合早期太陽光的輻射強度和水分子吸收光譜,發(fā)現(xiàn)水分子光解產(chǎn)生氧原子的概率是20%。水大量存在于宇宙星云、彗星大氣、地球早期大氣層中,水分子三體解離產(chǎn)生氧原子,隨后兩個氧原子復合產(chǎn)生氧氣有可能是這些環(huán)境下氧氣的重要來源。由于氧氣和水是生命起源和進化的重要條件,水分子三體解離過程直接將兩者關聯(lián)起來,對尋找生命星球有重要意義。
此前,袁開軍團隊利用大連相干光源還發(fā)現(xiàn)了水分子光解離產(chǎn)生超熱羥基自由基(Nature Communication,2019)、實現(xiàn)了硫化氫分子全波段光解產(chǎn)生SH(X)產(chǎn)物的產(chǎn)率測量(Nature Communication,2020)、以及發(fā)現(xiàn)乙烷分子光解離新的通道(Chem. Sci.,2020)。
相關研究結果以題為“Three body Photodissociation of the water molecule and its implications for prebiotic oxygen production”發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上,并被推薦為亮點文章(Featured Article)。該工作的第一作者是中國科學院大連化學物理所2507組17級博士研究生常堯。該工作得到國家自然科學基金委動態(tài)化學前沿研究中心項目、中科院B類先導專項“能源化學轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”﹑自然科學基金優(yōu)青項目等項目的資助。(文/圖 常堯、袁開軍)
文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22824-7