我所利用大连光源揭示水分子光解是行星早期大气光化学产氧重要途径

  近日,我所大连光源科学研究室袁开军研究员、杨学明院士团队,与南京大学谢代前教授合作,发现水分子在极紫外波段光照发生三体解离产生氧原子,为行星早期大气中氧气的起源提供了新思路。

  氧元素在宇宙中的丰度仅次于氢元素和氦元素,但是游离的氧气分子却非常稀少。除了在地球上,氧气仅在少数行星的大气中被观测到。地质学家认为,在生物光合作用产氧之前,原始地球大气中已经存在少量的氧气,这些氧气的来源争议很大。其中,二氧化碳光化学是主要的产氧途径:CO2光解离产生CO+O,随后两个O原子复合产生O2。最近,天文观测发现彗星67P大气层中存在大量的氧气和水,两者的浓度有很强的相关性,表明彗星中氧气的形成与水相关,但是相关的机制并不清楚。

 

  利用大连光源,合作团队系统研究了水分子光化学过程:将解离波长推进至90-110nm区域,发现水分子主要的解离过程是三体解离产生O+H+H;结合早期太阳光的辐射强度和水分子吸收光谱,发现水分子光解产生氧原子的概率是20%。水大量存在于宇宙星云、彗星大气、地球早期大气层中,水分子三体解离产生氧原子,随后两个氧原子复合产生氧气有可能是这些环境下氧气的重要来源。由于氧气和水是生命起源和进化的重要条件,水分子三体解离过程直接将两者关联起来,对寻找生命星球有重要意义。

  此前,袁开军团队利用大连光源还发现了水分子光解离产生超热羟基自由基(Nature Communication,2019)、实现了硫化氢分子全波段光解产生SH(X)产物的产率测量(Nature Communication,2020)、以及发现乙烷分子光解离新的通道(Chem. Sci.,2020)。

  相关研究结果以题为“Three body Photodissociation of the water molecule and its implications for prebiotic oxygen production”发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上,并被推荐为亮点文章(Featured Article)。该工作的第一作者是我所2507组17级博士研究生常尧。该工作得到国家自然科学基金委动态化学前沿研究中心项目、中科院B类先导专项“能源化学转化的本质与调控”﹑自然科学基金优青项目等项目的资助。(文/图 常尧、袁开军)

  文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-22824-7

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