Obwohl Kohlensäure nur für einen Bruchteil einer Sekunde existiert, bevor sie in eine Mischung aus Wasserstoff und Bikarbonat-Ionen umgewandelt wird, ist sie sowohl für die Gesundheit der Atmosphäre als auch des menschlichen Körpers von entscheidender Bedeutung.
Obwohl es nur wenige öffentliche Schlagzeilen macht, ist Kohlensäure, die hydratisierte Form von Kohlendioxid, sowohl für die Gesundheit der Atmosphäre als auch des menschlichen Körpers von entscheidender Bedeutung., Da Kohlensäure jedoch nur für einen Bruchteil einer Sekunde existiert, bevor sie in eine Mischung aus Wasserstoff-und Bikarbonat-Ionen umgewandelt wird, ist sie ein Rätsel geblieben. Eine neue Studie von Berkeley Lab-Forschern hat wertvolle neue Informationen über Kohlensäure mit wichtigen Implikationen für geologische und biologische Bedenken ergeben.
Richard Saykally, Chemiker bei Berkeley Lab ‚ s Chemical Sciences Division und Professor für Chemie an der University of California (UC) Berkeley, leitete eine Studie, die die ersten Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS)-Messungen für wässrige Kohlensäure produzierte., Diese XAS-Messungen, die an der Advanced Light Source (ALS) des Berkeley Lab erhalten wurden, stimmten stark mit Supercomputervorhersagen überein, die am National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) erhalten wurden.
Die Kombination von theoretischen und experimentellen Ergebnissen liefert neue und detaillierte Einblicke in die Hydratationseigenschaften von wässriger Kohlensäure, die der Entwicklung von Kohlenstoffsequestrierungs-und-Minderungstechnologien zugute kommen und unser Verständnis davon verbessern sollten, wie Kohlensäure den pH-Wert von Blut reguliert.,
„Unsere Ergebnisse unterstützen eine durchschnittliche Hydratationszahl von 3.17, wobei die beiden Protonen der Säure jeweils eine starke Wasserstoffbindung an solvierende Gewässer spenden, der Carbonylsauerstoff eine starke Wasserstoffbindung von solvierendes Wasser und die Hydroxylsauerstoffmoleküle schwache Wasserstoffbindungen aus dem Wasser akzeptieren“, sagt Saykally. „XAS-Daten müssen interpretiert werden, indem Messungen mit Ergebnissen aus einem berechneten Spektrum verglichen werden, was eine ernsthafte Herausforderung darstellt. Die starke Übereinstimmung zwischen unseren berechneten und beobachteten Röntgenspektren ist eine neue und bedeutende Errungenschaft.,“
Die Molekulardynamiksimulationen und die Methode der First principles density functional theory zur Modellierung und Interpretation der XAS-Messungen wurden unter der Leitung von David Prendergast, einem Mitarbeiter der Theory of Nanostructures Facility, durchgeführt Berkeley Lab Molekulare Gießerei. Die molekulare Gießerei, NERSC und die ALS, sind alle DOE Office of Science National User Facilities im Berkeley Lab gehostet.,
„Mit unserem First-principles Molecular Dynamics-Modell und molekulardynamischen Simulationen konnten wir simulieren, wie Kohlensäure durch Wasser gelöst wird“, sagt Prendergast. „Wir wandelten diese Informationen dann in ein vorhergesagtes XAS-Absorptionsspektrum um, das direkt mit experimentellen Messungen am ALS verglichen werden konnte.“
(Von Links) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith und Royce Lam waren Teil eines Teams, das hat wertvolle neue Einblicke in wässrigen Kohlensäure., (Foto von Roy Kaltschmidt)
Saykally und Prendergast haben ihre Ergebnisse in Chemical Physical Letters veröffentlicht. Das Papier trägt den Titel “ Die Hydratationsstruktur von wässriger Kohlensäure aus der Röntgenabsorptionsspektroskopie.“Saykally ist der entsprechende Autor. Weitere Co-Autoren sind neben Prendergast Royce Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith und Anthony Rizzuto.
Wenn sich Kohlendioxid in Wasser löst, bildet es etwa ein Prozent Kohlensäure, die fast sofort zu Bikarbonatanionen und Protonen dissoziiert., Trotz seiner flüchtigen Existenz – etwa 300 Nanosekunden – ist Kohlensäure eine entscheidende Zwischenart im Gleichgewicht zwischen Kohlendioxid, Wasser und vielen Mineralien. Es spielt eine entscheidende Rolle im Kohlenstoffkreislauf – dem Austausch von Kohlendioxid zwischen Atmosphäre und Ozeanen – und bei der Pufferung von Blut und anderen Körperflüssigkeiten. Die kurze Lebensdauer von Kohlensäure in Wasser hat das Studium extrem schwierig gemacht.,
Saykally und seine Forschungsgruppe haben dieses Hindernis mit der Entwicklung einer einzigartigen Flüssigkeitsmikrostrahlmischtechnologie überwunden, bei der sich zwei wässrige Proben schnell mischen und durch eine fein gekippte Düse fließen, die aus Quarzglas besteht und eine Öffnung aufweist nur wenige Mikrometer im Durchmesser. Der resultierende Flüssigkeitsstrahl bewegt sich einige Zentimeter in einer Vakuumkammer, bevor er von einem Röntgenstrahl durchschnitten wird, der dann gesammelt und kondensiert wird. Saykally und seine Gruppe haben ihr Liquid Microjet System bei ALS Beamline 8.0 eingerichtet.,1, eine Hochfluss-Undulator-Beamline, die Röntgenstrahlen erzeugt, die für XAS-Studien optimiert sind.
„Der Schlüssel zu unserem Erfolg war ein Fortschritt in unserer Flüssigkeitsmikrostrahltechnologie, der es uns ermöglicht, unsere Reaktanten, Bicarbonat und Salzsäure schnell zu mischen und die Kohlensäureprodukte sofort zu untersuchen“, sagt Saykally.
Für diese Studie verwendeten er und seine Gruppe eine Variation von XAS, die als Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure (NEXAFS)-Spektroskopie bezeichnet wird, eine atomspezifische Sondentechnik sowohl der elektronischen Struktur eines Moleküls als auch seiner lokalen chemischen Umgebung., NEXAFS ist ideal, um detaillierte Charakterisierungen von Hydratationsinteraktionen zu erhalten, wurde jedoch aufgrund der Schwierigkeiten bei der Arbeit mit flüssigen Proben im Hochvakuum weitgehend auf Studien an Gasen und Feststoffen beschränkt. Durch die Integration ihrer Mikrostrahltechnologie in die Hochvakuumumgebung einer Synchrotron-Röntgenstrahllinie können Saykally und seine Gruppe NEXAFS an flüssigen Proben durchführen.,
Die Forscher hinter dieser Studie sagen, dass ihre Ergebnisse wichtig sind, um zu verstehen und zu modellieren, wie das chemische Gleichgewicht zwischen Kohlensäure und Kohlendioxid in Salzwasserleitern und anderen vorgeschlagenen Kohlenstoffsequestriermedien abläuft. Der gleiche Gleichgewichtsprozess regelt die Atmung in lebenden Organismen.
„Da Kohlensäure sowohl in der Gas-als auch in der festen Phase ziemlich gut untersucht wurde, wird unsere neue Wasserlösungsarbeit die Entwicklung detaillierter Modelle für die reversible Gas-Flüssigkeitschemie von Kohlendioxid erleichtern“, sagt Saykally.,
Diese Forschung wurde vom DOE Office of Science unterstützt.
Weitere Informationen
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