近日,中國科學院大連化學物理研究所袁開軍研究員、楊學明院士團隊和傅碧娜研究員、張東輝院士團隊合作,發(fā)現(xiàn)二氧化硫分子極紫外光解離產(chǎn)生硫原子和氧氣,為地球早期大氣中氧氣的來源提供了新途徑。
地球大氣中氧氣的來源關系著生命的起源和進化。地質(zhì)學研究表明,早期地球是缺氧環(huán)境,大氣中氧氣含量很低。在大約24億年前,大氣中氧氣含量急劇增加,促進了生物的繁衍,稱為“大氧化事件”。大氧化事件的形成原因存在廣泛的爭議,主流的觀點認為地球早期生物產(chǎn)氧和氧氣的消耗處于平衡狀態(tài),導致氧氣含量長期處于很低的水平。隨著時間的推移,氧氣的產(chǎn)生逐漸超過了消耗,導致氧氣的積累,并最終誘導了大氧化事件的發(fā)生。然而,目前氧氣積累的機制還缺乏明確的認知。

利用大連相干光源,袁開軍團隊研究了二氧化硫分子光化學過程。團隊將解離波長推進至120至160nm區(qū)域,發(fā)現(xiàn)二氧化硫分子新的解離通道S(1D)+O2, 該產(chǎn)物通道在121.6nm光照產(chǎn)率約30%。傅碧娜團隊通過構建高精度激發(fā)態(tài)勢能面闡明了該通道的產(chǎn)生機制。二氧化硫是火山噴發(fā)的主要氣體,在地球太古期(27至25億年前),板塊運動導致地表火山噴發(fā)頻繁,大量二氧化硫氣體進入大氣層,隨后在光照下產(chǎn)生氧氣。該過程是繼二氧化碳和水分子光化學產(chǎn)氧之后新發(fā)現(xiàn)的非生物產(chǎn)氧途徑。根據(jù)這一研究工作的實驗結果所做的估算,在太古期火山活躍的2億年時段累積的產(chǎn)氧量有可能達到現(xiàn)代大氣中氧氣含量的4.3%,這說明新的極紫外光解產(chǎn)氧途徑可能是地球大氧化事件發(fā)生的一個重要誘導機制。
此前,袁開軍團隊利用大連相干光源還發(fā)現(xiàn)了水分子三體解離產(chǎn)氧機制,闡明了水分子光解是宇宙星云、彗星大氣、地球原始大氣層氧氣的重要來源(Nat. Comm.,2021)。
相關研究成果以“Vacuum ultraviolet photodissociation of sulfur dioxide and its implications for oxygen production in the early Earth’s atmosphere”為題,發(fā)表在《化學科學》(Chemical Science)上,并被選為熱點文章(Hot Article)。英國皇家化學會化學世界網(wǎng)站(Chemistry World)以“Volcanic sulfur dioxide linked to oxygen level rise in Earth’s early atmosphere”為題,對該工作進行了亮點報道。該工作的第一作者是中國科學院大連化學物理研究所1117組博士后常堯和1113組博士后付艷林。該工作得到國家自然科學基金委“動態(tài)化學前沿研究”基礎科學中心項目、中國科學院關鍵技術研發(fā)團隊等項目的資助。(文/圖 轉(zhuǎn)自中國科學院大連化學物理研究所)
文章鏈接:https://doi.org/10.1039/D3SC03328G
DICP科普一下丨二氧化硫分子光化學過程