氢分子医学分享 http://blog.sciencenet.cn/u/孙学军 对氢气生物学效应感兴趣者。可合作研究:sunxjk@hotmail.com 微信 hydrogen_thinker

博文

《科学》水分子催化在雾霾成分化学反应具有关键作用

已有 2955 次阅读 2021-11-11 13:25 |系统分类:海外观察

最新《科学》这一研究对于理解雾霾化学反应,雾霾成分的转化过程,甚至对于水分子参与的催化反应,都具有重要意义。这种发现可能具有更多更广泛的理论价值,如可能对于理解气泡对化学反应的影响提供思路借鉴,研究发现的反应过程甚至可以作为鉴定纳米气泡催化活性的研究范式。如果这种效应能在纳米气泡表面被重复,则对于理解自然界生命进化过程中,气泡或空气气溶胶等多种气液界面参与生命或有机进化过程都具有重要意义。进一步来说,生物细胞也是多相组成,水分子一直被认为是生化反应的环境,最多作为反应产物和底物看待,但水分子本身的生物催化作用可能没有被足够重视。

图片7.png

雾霾对全球气候和公众健康有重大影响其学术名称是大气气溶胶是悬浮在空气中的微小固体或液体颗粒。大气气溶胶来源多样不仅有火山爆发自然生成也有煤炭燃烧人类活动产生,来源不同意味着气溶胶的组成也有很大的差异。其中一些气溶胶在空气中可以吸收水蒸气和其他气态化合物,或与之发生反应。它们影响大气化学循环,在改善当前的空气质量和气候模式时必须对这些因素加以考虑。

最近《科学》杂志Kong等描述了与大气密切相关的气溶胶表面驱动反应,并提出最具潜力的化学应用。他们发现,硫酸铵晶体暴露在水蒸气中,会自发形成单质硫和氮,其速度比预期的要快得多(见图)。硫酸铵是一种气溶胶,可以作为卷云形成的种子。虽然自然来源可以产生硫酸铵气溶胶,但大多数是由人类活动产生的。在大气最底层对流层,燃料燃烧释放出的二氧化硫溶解在液滴中转化为硫酸。这些液滴落到地面上就形成了酸雨。对流层中的硫酸可与农业活动排放的氨发生反应,在不同空气湿度和温度情况下,以水溶液或结晶颗粒的形式生成硫酸铵盐。Kong等人用一种叫做环境压力x射线电子光谱的实验技术研究了硫酸氢铵晶体暴露于不同浓度的水蒸汽条件下的行为。

他们测量了晶体表面硫和氮原子电子的结合能,这些电子传递这些原子正在形成何种化合物的化学信息。在干燥条件下,只能观察到硫酸盐和铵离子的特征。然而,当相对湿度增加时,硫酸铵盐开始稀释并在表面发生反应,导致单质硫、二硫化离子、亚硝酸和氨的额外特征,这是出乎意料的。当相对湿度进一步增加到78%的潮解阈值时,盐逐渐部分和完全溶解。在这一转变过程中,有一个过渡时期,单质硫占光谱主导,氮素信号消失。然而,随着稀释继续,硫酸盐铵信号重新出现,并达到一个新的稳定状态。

Kong等的结论是,盐表面被稀释时,硫酸盐还原铵的自发氧化作用起作用,而盐完全干燥或完全稀释时不会发生这种作用。

这个反应的最终产物是单质硫和氮气。由于在一般条件下这是一个不利的反应,所以反应在水蒸气-晶面处的水层中发生的容易是值得注意的。生物催化剂通常需要刺激反应的废水处理过程。自然氧化反应是指在潮湿的空气中,高氧化性的硫化物(如硫酸盐)可转化为低氧化性的硫化物(如单质硫或二硫化物)。这种化学反应以前不被认为会在大气中发生,因为大气被认为是一种氧化介质。这一的直观发现可能会改变目前对硫循环的理解。此外,作者还鉴定了该过程中间产物为亚硝酸。亚硝酸是强氧化活性的羟基自由基的一个关键前体,羟基自由基有时被称为大气的洗涤剂。在硫酸盐铵上的自发反应的存在可以帮助解释为什么在大气中羟基自由基的浓度在目前的模型中是低于配对的。这一发现也对对水的催化有广泛的影响,即化学反应的速率在水的表面和水的界面加速

Kong等人的工作为目前对这些加速化反应的理解提供了新的视角。关于水的催化已经被证明在大气含水气溶胶的几个化学和光化学过程中发挥作用。此外,由于涂有有机膜的水滴形成的界面与细胞膜有相似之处,关于水的催化可能在地球生命起源过程中发挥了重要作用。

在应用方面,催化的作用已经在使用分散的富界面系统如油/ 水微乳液或喷雾的水微滴的有机合成中得到了开发。某些反应,如水的氧化形成过氧化氢,已经被确认能在上自发地产生,即使它们并不在水中发生。这些发现为绿色合成技术的发展提供了新思路,减少对有机溶剂的需求。为什么一些不利的化学反应会在水界面上加速,这没有简单的答案。当分子被吸附在水界面时,一些基本的分子固有关系,如氧化电位或酸度发生变化。与界面结构不对称有关的局域电场是解释这些效应的关键。试剂的排列和限制,或显微镜系统所显示的大的表面与体积比,也被认为是重要影响因素。未来的研究应该旨在澄清他们各自的贡献。在这方面,将选择的反应与不同的实验技术进行平行研究,并详细阐述理论分子模拟将是最有价值的。

 Midair transformations of aerosols (science.org)




https://blog.sciencenet.cn/blog-41174-1311964.html

上一篇:B细胞的免疫抑制作用!
下一篇:针对糖尿病并发症的小分子化合物!

10 张学文 郑永军 李宏翰 杨正瓴 赫荣乔 范振英 宁利中 晏成和 赵凤光 吕秀齐

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (1 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-1-22 19:05

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部