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用原位调制激发红外光谱观察二氧化碳与冰相互作用形成碳酸

      碳酸(H2CO3)是生物和地球化学含碳酸盐体系中的关键化合物,在天体物理学、海洋生物学、食品化学和医学等领域的二元水-二氧化碳系统有着重要的作用。但是,在常温下碳酸分解速率很快,达到20s-1。这也使得其存在缺乏直接证据,导致过去有过长时间的争论。最近,有研究人员通过三种途径制备碳酸并使用傅里叶变换红外光谱和质谱等仪器进行了检测:(1)高能辐照低温下的CO2/H2O混合物;(2)质子辐照固态CO2;(3)碳酸氢盐或碳酸盐与强酸(如盐酸或硝酸)的质子化。
      在近期一篇发表于
Angewandte Chemie International Edition的文章中,瑞士日内瓦大学的研究人员通过原位衰减全反射红外光谱结合调制激发光谱和相敏检测研究了二氧化碳气体在冰层表面的瞬态吸附-解吸过程。他们发现二氧化碳和H2O在冰上直接形成H2CO3的相域和时域的光谱证据,并表明其形成既不需要高能辐射也不需要强酸质子化,另外还观察到了碳酸的去质子化导致的H3O+形成和溶剂化水的改变形式的光谱。之后,研究人员减少每个调制周期的扫描次数,提高扫描速率并降低光谱分辨率,发现在实验中,在冰表面上,H2CO3似乎足够稳定,可以通过红外光谱进行检测,这与理论计算一致,理论计算表明分离的H2CO3是稳定的。为了探究温度对碳酸形成的影响,研究人员在-50℃到-10℃的条件下对H2CO3进行了测量,发现在-50℃时H2CO3的强度最高而在-10℃时没有发现碳酸的明显特征,这表明H2CO3的浓度高度依赖于温度:温度越低,H2CO3的浓度越高。
       这篇文章首次提供了CO2-H2O冰二元体系中存在H2CO3的实验证据。并且改变了科学界对高能辐射和强酸对碳酸氢盐或碳酸盐的质子化是生成H2CO3的必要条件的认识。此外,H2CO3的形成高度依赖于温度。这为碳酸及其在对流层上部的可能形成提供了新的视角,并将有助于在环境、大气和天体物理学中对其进行鉴定。(来源:QYIM & AMSC CC LI编报)

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