近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所大連光源科學(xué)研究室袁開軍研究員、楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì)，與南京大學(xué)謝代前教授合作，發(fā)現(xiàn)水分子在極紫外波段光照發(fā)生三體解離產(chǎn)生氧原子，為行星早期大氣中氧氣的起源提供了新思路。
氧元素在宇宙中的豐度僅次于氫元素和氦元素，但是游離的氧氣分子卻非常稀少。除了在地球上，氧氣僅在少數(shù)行星的大氣中被觀測(cè)到。地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，在生物光合作用產(chǎn)氧之前，原始地球大氣中已經(jīng)存在少量的氧氣，這些氧氣的來(lái)源爭(zhēng)議很大。其中，二氧化碳光化學(xué)是主要的產(chǎn)氧途徑：CO2光解離產(chǎn)生CO+O，隨后兩個(gè)O原子復(fù)合產(chǎn)生O2。最近，天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)彗星67P大氣層中存在大量的氧氣和水，兩者的濃度有很強(qiáng)的相關(guān)性，表明彗星中氧氣的形成與水相關(guān)，但是相關(guān)的機(jī)制并不清楚。
大連光源模擬光解水發(fā)生三體解離過(guò)程是行星原始大氣中氧氣的重要來(lái)源
利用大連光源，合作團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了水分子光化學(xué)過(guò)程：將解離波長(zhǎng)推進(jìn)至90-110nm區(qū)域，發(fā)現(xiàn)水分子主要的解離過(guò)程是三體解離產(chǎn)生O+H+H；結(jié)合早期太陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度和水分子吸收光譜，發(fā)現(xiàn)水分子光解產(chǎn)生氧原子的概率是20%。水大量存在于宇宙星云、彗星大氣、地球早期大氣層中，水分子三體解離產(chǎn)生氧原子，隨后兩個(gè)氧原子復(fù)合產(chǎn)生氧氣有可能是這些環(huán)境下氧氣的重要來(lái)源。由于氧氣和水是生命起源和進(jìn)化的重要條件，水分子三體解離過(guò)程直接將兩者關(guān)聯(lián)起來(lái)，對(duì)尋找生命星球有重要意義。
此前，袁開軍團(tuán)隊(duì)利用大連光源還發(fā)現(xiàn)了水分子光解離產(chǎn)生超熱羥基自由基（Nature Communication，2019）、實(shí)現(xiàn)了硫化氫分子全波段光解產(chǎn)生SH（X）產(chǎn)物的產(chǎn)率測(cè)量（Nature Communication，2020）、以及發(fā)現(xiàn)乙烷分子光解離新的通道（Chem. Sci.，2020）。
相關(guān)研究結(jié)果以題為“Three body Photodissociation of the water molecule and its implications for prebiotic oxygen production”發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上，并被推薦為亮點(diǎn)文章（Featured Article）。該工作的第一作者是大連化物所分子光化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究組17級(jí)博士研究生常堯。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委動(dòng)態(tài)化學(xué)前沿研究中心項(xiàng)目、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”﹑自然科學(xué)基金優(yōu)青項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
