“氧氣起源”新機制：二氧化碳分子的電子貼附解離

羅毅

(中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室(籌)，合肥230026)

“氧氣起源”新機制：二氧化碳分子的電子貼附解離

羅毅

(中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室(籌)，合肥230026)

地球上絕大多數生物對氧氣(即穩定的基態氣體氧分子)的依賴性不言而喻，但是在關于“氧氣起源”及其演化(例如“大氧氣事件”)尚存在許多不解之謎1。在無生命的地球早期，不存在光合作用產生氧的生物化學過程，而通常認為氧原子參與的三體復合反應O+O+M→O2+M是產生氧分子的主要通道，這里的自由氧原子O則是CO2分子的光解產物；自由原子或分子M作為第三體，通過原子分子間的相互作用參與復合反應中的能量分配或轉移2。上述過程還常見于地球的“極光”中，因為這個反應中直接產生的是亞穩態O2分子，這些亞穩態O2分子可與其它分子碰撞而發光。2014年10月美國加州大學戴維斯分校化學系的伍灼耀教授研究組發現波段為101.5－107.2 nm真空紫外光光解CO2過程中可以直接產生電子基態O2分子3。這是對原有“氧氣起源”機制的一個重要補充。

2015年，中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室(籌)田善喜教授研究組利用自主研制的儀器完成了低能量電子貼附CO2分子解離的實驗研究，通過探測產物C－負離子碎片的三維動量空間分布，確認了三體和兩體解離動力學過程：e－+ CO2→CO2－→C－+2O/C－+O2。由于許多星球(特別是金星、火星)的外層大氣中存在大量的CO2以及低能量電子，兩體解離產生C－+O2反應對于“氧氣起源”的貢獻不可忽視。這項研究成果最近被國際著名雜志Nature Chem istry接收發表4。這項工作意義在于：可以解釋新近發現火星上氧氣5的產生機理；在星際空間物質演化探索中，“電子貼附解離”這一特殊物理化學反應機制應該予以重視，特別是在構建星際空間“氧”相關循環化學反應模型時。

在外空間粒子、射線的探測中，天體物理學的研究主要集中在高能粒子(包括高能量電子)和射線的探測，其重要性在于它們與星球演變、暗物質等密切相關；而低能量電子、離子、原子、分子的碰撞是化學反應的主要形式。目前，星際空間化學研究還主要利用光譜技術探測和分析星際空間存在的分子、離子種類，而關于它們如何產生以及演化的動力學研究還相當薄弱。星際空間的電子、離子、原子、分子低能量碰撞過程發生在真空、極低溫度、復雜電磁場的環境中。在實驗室構建和模擬星際空間環境，開展星際化學和天體化學動力學研究有待加強。

References

(1)Holland,H.D.Phil.Trans.R.Soc.B 2006,361,903.doi: 10.1098/rstb.2006.1838

(2)Kasting,J.F.;Liu,S.C.;Donahue,T.M.J.Geophys.Res. 1979,84,3097.doi:10.1029/JC084iC06p03097

(3)Lu,Z.;Chang,Y.C.;Yin,Q.Z.;Ng,C.Y.;Jackson,W.M. Science2014,346,61.doi:10.1126/science.1257156

(4)Wang,X.D.;Gao,X.F.;Xuan,C.J.;Tian,S.X.Nature Chemistry 2016,8,258.doi:10.1038/nchem.2427

(5)Mahaffy,P.R.;Webster,C.R.;Atreya,S.K.;etal.Science 2013,341,263.doi:10.1126/science.1237966

10.3866/PKU.WHXB201602172