Een uitgebreid onderzoek door KAUST-onderzoekers heeft de vorming van waterstofperoxide in micrometergrote waterdruppels, of microdruppeltjes, rechtgezet en toont aan dat ozon de sleutel is tot deze transformatie1,2.

De lucht-waterinterface is een cruciale locatie voor tal van natuurlijke, huishoudelijke en industriële processen, zoals de uitwisseling van oceaan-atmosfeer, wolken- en dauwvorming, koolzuurhoudende dranken en bioreactoren. Toch is het onderzoeken van chemische transformaties aan het lucht-water grensvlak een uitdaging vanwege het gebrek aan oppervlaktespecifieke technieken of rekenmodellen.

Recent onderzoek heeft aangetoond dat water spontaan verandert in 30-110 micromolair waterstofperoxide (H₂ O₂ ) in microdruppeltjes, verkregen door condensatie van damp of sproeien van water met behulp van stikstofgas onder druk. Het leerboekbegrip van water wordt dus uitgedaagd door hoe de milde temperatuur- en drukomstandigheden, samen met de afwezigheid van katalysatoren, co-oplosmiddelen en significante toegepaste energie, covalente O-H-bindingen zouden kunnen verbreken. Er werd verondersteld dat dit ongebruikelijke fenomeen het gevolg was van een ultrahoog elektrisch veld op het grensvlak van lucht en water dat de vorming van OH-radicalen bevordert, maar er is geen direct bewijs gerapporteerd.

Om verder in dit fenomeen te duiken, stelde Himanshu Mishra een team samen met computationele vloeistofdynamica en ingenieurs Hong Im en Sigurdur Thoroddsen. "Sprays zijn complexe systemen die schokgolven en snelle verdamping met zich mee kunnen brengen; daarom zijn we begonnen met microdruppeltjes van gecondenseerd water", zegt Mishra.

In samenwerking met Ph.D. studenten Adair Gallo Jr en Nayara Musskopf, onderzoekswetenschapper Peng Zhang gebruikten een ultragevoelige fluorescentie-gebaseerde test die waterige H₂ kan detecteren O₂ met een bijna 40 keer lagere detectielimiet dan de oorspronkelijke test. Ze hebben geen H₂ . gevonden O₂ in gecondenseerde microdruppeltjes van heet water, maar tot één micromolair H₂ O₂ in microdruppeltjes van commerciële ultrasone luchtbevochtigers. Met dit belangrijke inzicht onderzocht het team sprays.

Computersimulaties door postdoc Xinlei Liu en high-speed beeldvorming door Ph.D. student Ziqiang Yang toonde aan dat komvormige schokgolven gevormd worden in sprays, maar deze omstandigheden waren onvoldoende om water chemisch om te zetten in H₂ O₂ .

"Vragen bleven:waar bleef de rest van de H₂ O₂ komen uit de gecondenseerde en opgespoten microdruppels die in Californië zijn onderzocht, en waarom hebben we het niet gezien bij KAUST?", zegt hoofdauteur Gallo Jr. Na verschillende mislukte pogingen om het raadsel uit te leggen, wendde het team zich tot ambient ozon als een potentiële H₂ O₂ vorming. "Ik had een Eureka-moment tijdens het lezen van kranten van 40 jaar geleden. Ze hadden ozon in de omgeving genoemd als een storende factor in waterig H₂ O₂ metingen", legt Mishra uit.

Om de ozonniveaus in de omgeving te beheersen, gebruikten de onderzoekers een ozongenerator en mengden het resulterende gas met stikstofgas voordat het in een handschoenenkastje werd geïntroduceerd. Ze merkten op dat het verhogen van de ozonconcentratie de H₂ . verhoogde O₂ vorming. "We waren zo blij, want dit was het antwoord", zegt mede-hoofdauteur Musskopf.

Terwijl de ozonconcentraties in de omgeving in ons handschoenenkastje onder de twee delen per miljard blijven, kunnen ze in Californië meer dan 80 delen per miljard bedragen, volgens gegevens die zijn verzameld door de Environmental Protection Agency. Hoewel ozon minimaal oplost in water, zorgt het grotere oppervlak van microdruppeltjes ervoor dat meer ozon kan worden opgelost en snel kan reageren om H₂ te vormen O₂ . "Er moest iets te maken hebben met de geografie van de plaats, een milieuverschil tussen onze locatie in Saoedi-Arabië en Californië, zegt Gallo Jr.

Samen bewijzen deze gegevens dat water spontaan verandert in H₂ O₂ op het grensvlak lucht-water. "We hebben de fysische chemie uit het leerboek en wat we weten over water verdedigd", besluit Mishra.