Het carbonaatsysteem van de natuur, de dynamische chemie met koolstofdioxide (CO2), carbonaat (CO32-), bicarbonaat (HCO3-), en koolzuur (H2CO3), is een essentieel onderdeel van de biosfeer. Carbonaat, bicarbonaat, en koolzuur ontstaat wanneer atmosferisch koolstofdioxide oplost in de oceanen, wat de grootste gootsteen is voor dit broeikasgas. Onderzoekers zijn geïnteresseerd in een beter begrip van het carbonaatsysteem om mogelijk te helpen bij het vergemakkelijken van koolstofvastleggingsschema's, vooral met koolstofbindende mineralen, om de klimaatverandering te helpen verminderen. Het carbonaatsysteem staat ook centraal in biologische ademhalingssystemen, nog een reden waarom onderzoekers geïnteresseerd zijn in deze chemie.

Onlangs, een groep chemici van de Universiteit van Californië, Berkeley werkte samen met wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en deed baanbrekende ontdekkingen over het gedrag van de carbonaatsoorten op zoutwateroppervlakken, zoals die van de oceaan. Ze rapporteren hun bevindingen deze week in The Tijdschrift voor Chemische Fysica , van AIP Publishing.

Volgens een van de auteurs van het artikel, UC Berkeley hoogleraar scheikunde Richard Saykally, een sterke motivatie voor dit onderzoek was het begrijpen van de chemische processen die betrokken zijn bij koolstofvastlegging. Ze ontdekten dat terwijl neutraal koolzuur het sterkst aanwezig was aan de oppervlakte, zoals verwacht, het sterker geladen carbonaation was overvloediger dan het zwakkere bicarbonaat.

"We willen in het algemeen ons begrip van de wereldwijde koolstofcyclus vergroten, Saykally zei. "De aspecten van deze cyclus waar we ons op hebben gefocust, beginnen met koolstofdioxide in de atmosfeer dat oplost in zout water, gevolgd door een aantal zeer interessante chemie."

Kooldioxide wordt opgevangen door het wateroppervlak en gehydrateerd om koolzuur of bicarbonaat te vormen, die vervolgens kan ioniseren tot bicarbonaat of carbonaat, waar carbonaat kan reageren met opgeloste magnesium- of calciumionen om kalksteen te vormen.

"We willen al die stappen kennen die gaan van gasvormig koolstofdioxide in de atmosfeer tot kalksteen, "Zei Saykally. "Ons doel is om alle details in alle stappen in dat proces te begrijpen."

UC Berkeley promovendus scheikunde Royce Lam, een co-auteur van het artikel die een groot deel van het onderzoek leidde, wilde voortbouwen op eerdere onderzoeken naar de hydratatiestructuur van koolzuursystemen, gericht op de relatieve abundanties van carbonaatsoorten aan het vloeistofoppervlak.

In samenwerking met LBNL's Dr. Hendrik Bluhm, Lam en co-auteurs maakten gebruik van de ambient pressure photoemission spectroscopie (APPES) bundellijn (11.0.2) bij de Advanced Light Source synchrotron bij LBNL, om röntgenfoto-emissiespectroscopie (XPS)-metingen uit te voeren - een manier om de moleculaire samenstelling van materialen te onderzoeken met behulp van een intense bundel hoogenergetische röntgenstralen. Het XPS-systeem stelde hen in staat om verschillende aspecten van het carbonaatsysteem te onderzoeken waartoe ze voorheen geen toegang hadden.

"Het bijzondere aan XPS is dat het ons in staat stelt om op verschillende diepten in het wateroppervlak te tasten, " zei Lam. "Dit is een van de weinige bundellijnen ter wereld die deze klasse van experimenten op vloeistoffen kan doen."

Voor monsters, Lam gecombineerde oplossingen van de carbonaatsoort en zoutzuur, die toevallig op het oceaansysteem leek. Met een vloeibaar microjet-apparaat, de onderzoekers injecteerden deze monsters in een vacuümkamer en onderzochten ze op meerdere röntgenstralingsenergieën om de relatieve abundanties van de carbonaatsoorten af ​​​​te leiden van de foto-uitgezonden elektronen.

Aan het vloeistofoppervlak, zowel carbonaat als koolzuur waren overvloediger dan biocarbonaat. De meest significante verrassing was dat het hoger geladen carbonaat meer aanwezig was aan het oppervlak dan het minder geladen bicarbonaat, wat in strijd is met de verwachtingen van bestaande theoretische modellen.

Dit roept een belangrijke vraag op over waar het bicarbonaat zich in het systeem zou kunnen verplaatsen, met een mogelijkheid dat het carbonaat "ion-pairing" is met natrium, de chemie veranderen, en ervoor zorgen dat bicarbonaat naar lagere diepten beweegt.

"We werken nog steeds aan de theorie en we hopen dat dit artikel een verdere theoretische discussie zal stimuleren die daadwerkelijk definitieve inzichten kan opleveren over wat hier aan de hand is, ' zei Lam.

Lam hoopt dat dit onderzoek ook leidt tot directer onderzoek naar koolstofvastleggingsmogelijkheden.

"Dus, de volgende stap zou zijn om verder te kijken naar ionenparen, en hoofdzakelijk kalksteen of minerale vorming, specifiek, kijken naar de interactie van calcium- en magnesiumionen met carbonaat, Lam zei over een mogelijkheid tot koolstofvastlegging die hij besprak.

Saykally vindt dat dit onderzoek aansluit bij het hele systeem van waterige carbonaatchemie, met toepassingen variërend van koolstofvastlegging tot biomedisch onderzoek.

"Om dit soort vorderingen te maken, Ik geloof dat je elk detail moet kennen van de chemie die betrokken is bij al die stappen van het water-carbonaatsysteem.' Saykally zei. 'Het is een zeer ingewikkelde chemie met diepgaande praktische implicaties.'