28 6 月, 2022

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在大气中发现了一种新型高反应材料

在大气条件下发现了一类全新的超反应性化合物,即三氧化物。

首次发现了一类在大气条件下具有超强反应性的全新化合物。 哥本哈根大学的科学家与他们的国际同事密切合作,记录了所谓的三氧化物的形成——一种高度氧化的化合物,最有可能影响人类健康和全球气候。

过氧化氢是一种众所周知的化合物。 由于所有过氧化物都含有两个键合在一起的氧原子,因此它们具有高反应性,通常易燃易爆。 它们被用于从牙齿和头发美白到清洁伤口的各种用途,甚至用作火箭燃料。 然而,过氧化物也存在于我们周围的空气中。

近年来,人们一直在猜测大气中是否也存在三氧化物——三个氧原子键合在一起的化合物,因此比过氧化物更具反应性。 但到目前为止,这还没有得到明确证实。

“这就是我们现在所取得的成就,”哥本哈根大学化学系的 Henrik Grom Kjærgaard 教授说。 Kjærgaard 是该研究的主要作者,该研究于 2022 年 5 月 26 日发表在著名期刊上, 科学.

亨利克·格鲁姆·凯尔加德

Henrik Grum Kjærgaard 教授在实验室。 学分:哥本哈根大学

继续:

我们发现的化合物类型在结构上是独一无二的。 而且因为它具有高度氧化性,它可能会带来一系列我们尚未揭示的影响。”

众所周知,氢氧化物 (ROOOH) 是一类全新的化合物。 哥本哈根大学 (UCPH) 的研究人员与莱布尼茨对流层研究所 (TROPOS) 和加州理工学院 (Caltech) 的同事一起表明,这些化合物是在大气条件下形成的。

大气中的高活性物质

反应:ROO + OH → ROOOH(红色的氧原子)。 当大气中的化合物被氧化时,它们通常会与 OH 自由基发生反应,形成新的自由基。 当这个自由基与氧反应时,它会形成称为过氧化物 (ROO) 的第三个自由基,它又可以与 OH 自由基反应,从而形成氢氧化物 (ROOOH)。 学分:哥本哈根大学

研究人员还表明,在大气中分解几种已知和广泛释放的物质(包括异戊二烯和二甲硫)时会形成氢三氧化物。

“非常重要的是,我们现在可以通过直接观察证明这些化合物确实在大气中形成,它们出奇地稳定,并且它们几乎由所有化合物组成,”Jing Chen 说,化学系博士生和该研究的第二作者。现在必须搁置所有猜测。

多少钱

  • 异戊二烯是最常排放到大气中的有机化合物之一。 研究表明,所有释放的异戊二烯中约有 1% 转化为氢三氧化物。
  • 研究人员估计,大气中的 ROOOH 浓度约为每厘米 1000 万3. 相比之下,OH 自由基是大气中最重要的氧化剂之一,每平方厘米大约有一百万个自由基。3.

三氧化氢是在两种自由基之间的反应中形成的(见下图)。 研究人员预测,几乎所有化合物都会在大气中形成氢氧化物,并估计它们的寿命从几分钟到几小时不等。 这使其足够稳定,可以与许多其他飞行器交互。

可能被气溶胶吸收

研究小组还强烈怀疑三氧化碳能够穿透被称为气溶胶的细小空气颗粒,这些颗粒对健康有害,并可能导致呼吸道和心血管疾病。

它们更有可能进入气溶胶,在那里它们将形成具有新作用的新化合物。 不难想象,吸入有害的气溶胶中会形成新物质。 “需要进一步调查以解决这些潜在的健康影响,”Henrik Grum Kjærgaard 说。

虽然气溶胶也会影响气候,但它们是气候模型中最难描述的因素之一。 据研究人员称,含水氧化物很可能会影响产生的气溶胶数量。

TROPOS 自由流动体验

在莱比锡的 TROPOS 进行的射流自由流动实验的实验室装置首次提供了直接证据,表明在大气条件下,过氧自由基 (RO2) 与羟基自由基 (OH) 的反应也会形成氢氧化物 (ROOOH) . 学分:Tilo Arnhold,TROPOS

“因为阳光被气溶胶反射和吸收,这会影响地球的热平衡——地球吸收并送回太空的阳光比例。当气溶胶吸收物质时,它们会生长并促进云的形成,从而影响地球的气候好。”合著者和博士说。 学生,Eva R. Kjærgaard。

该化合物的作用需要进一步研究

研究人员希望水氧化物的发现能帮助我们更多地了解我们排放的化学物质的影响。

大多数人类活动导致化学物质释放到大气中。 因此,如果我们希望能够预测我们的行为将如何影响未来的大气,了解决定大气化学的相互作用非常重要,”合著者兼博士后 Christian H. Muller 说。

TROPOS 中的三氧化二氢实验

到目前为止,只有关于氢三氧化物 (ROOOH) 的推测,即这些具有不寻常 OOOH 基团的有机化合物会存在。 在莱比锡 TROPOS 的实验室实验中,现在可以证明它是在重要的碳氢化合物(如异戊二烯和 α-蒎烯)氧化过程中形成的。 学分:Tilo Arnhold,TROPOS

然而,他和 Henrik Grom Kiergaard 都不关心这个新发现:

“这些化合物一直存在——我们对它们一无所知。但我们现在有证据表明化合物会形成并存在一定时间,这意味着可以更有针对性地研究它们的作用,并在它们转向时做出反应危险,”Henrik Grum Kjærgaard 说。

“这一发现表明,空气中可能还有很多其他我们还不知道的东西。事实上,我们周围的空气是复杂化学反应的巨大纠结。作为研究人员,我们需要开放—— “如果我们想要更好地发展。在寻找解决方案方面,”Jing Chen 总结道。

参考:“大气中三氧化氢 (ROOOH) 的形成”,作者 Torsten Berndt、Jing Chen 和 Eva R. Henrik G. Kjaergaard,2022 年 5 月 26 日,可在此处获取。 科学.
DOI: 10.1126 / science.abn6012

关于研究

  • 虽然新研究结果背后的理论是在哥本哈根开发的,但使用质谱的实验是在德国莱布尼茨对流层研究所 (TROPOS) 进行的,部分在美国加州理工学院 (Caltech) 进行。
  • 虽然在许多实验中必须使用更高的浓度,但这些实验是在与大气几乎相同的环境中进行的,这使得结果非常可靠并且与大气相当。 使用高灵敏度的测量仪器可以测量氢氧化物。
  • 该研究由莱布尼茨对流层研究所 (TROPOS) 的 Torsten Berndt、Andreas Tilgner、Erik H. Hoffmann 和 Hartmut Hermann 进行; 陈静和 Eva R. 哥本哈根大学化学系的 Kiergaard、Christian H. Muller 和 Henrik Grom Kiergaard; 和约翰 D。 加州理工学院的 Krons 和 Paul Weinberg。

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