火星上的新鲜空气：弯曲二氧化碳分子并吸收氧气

我们用“科幻小说”这个词还记得什么？ 当然，机器人，飞行中的汽车，对宇宙以前未曾探索过的角落，外星人以及一系列情节的研究。 其中一个特别的地方始终是定居在另一个星球上，这是出于对一个人自己死亡的必然性的信心，或者是从根本上改变局势的愿望。 地球2.0冠军的第一个竞争者一直是火星，冷酷无生命。 目前，尚无法收拾行装并休假去火星飞行两个星期，但这绝对是现实和可行的，问题仅在于多久。 火星最明显的缺点（缺乏正常的互联网除外）是缺乏可接受的生活氛围。 为了飞往目的地，离开飞机并深呼吸，感受当地空气的新鲜感-这与火星无关。 但这并非总是如此。

今天，我们将与您会面，进行一项研究，描述一项通过异常化学反应产生氧气的新方法。 科学家如何从CO _2中产生分子氧，这种方法的有效性如何，除了行星际旅行外，还可以在哪里使用？ 我们将在科学家的报告中寻找这些问题的答案。 走吧

学习基础

一个人一生只需要三样东西：食物，水和空气，其中将有足够的氧气。 这些是我们的主要需求（是的，Internet不在此列表中）。 但是氧气并不会散布在路上，尤其是在我们心爱的星球之外。 因此，如果我们想去某个地方，我们需要随身携带，并使用各种设备清洁空气并重新使用。 所有这些欢乐占据了很多地方，迟早氧气会耗尽。 适度地说，补充太空或火星上的储备将成问题。

但是，相对最近，科学家在67P / CG6彗星中发现了相当多的氧气，这促使他们提出了一个非常明显的问题-氧气来自何处？ 诸如彗星之类的物体中的氧气是在极端条件下发生的非生物反应的结果，在此过程中，H ₂ O，CO ₂ ，CO等产生了氧气。 O ₂ （氧气）被释放。 科学家声称，这种反应可以解释彗星，火星上层大气和地球早期大气中氧气的存在。 一个人可以利用这种化学反应从CO _2中产生O ₂ ，这将使火星适合生活。

如果非常夸张和简短，那么上述反应就是将CO ₂分解为C + O ₂组分。 换句话说，解离。

根据可用于反应的能量，CO ₂的解离可在几种情况下发生。 CO ₂ →CO + O的部分解离（5.43或7.56 eV）需要最少的能量。 还需要将CO ₂ →C + O + O完全分解，需要16.46 eV。 并且，最好奇，最奇异的离解是当CO ₂分解为C和O _2时 。 计算表明，在基态势能的表面上会发生类似的反应，首先形成环状的中间CO ₂化合物[c-CO ₂ （ ¹ A ¹ ）]，然后在分解的过程中转化为共线的中间COO（1Σ ⁺ ）。在C + O _2中 。

如果分子“弯曲”，使得两个O原子彼此尽可能靠近，则这种反应是可能的。 这需要6 eV的内部能量。 而且，您必须承认，无论男人弯曲金属棒有多坚韧，弯曲一个分子都将更加困难。

转变为电子激发的CO ₂和阴离子状态可以帮助弯曲分子。 科学家回忆说，他们同事最近的实验表明，使用VUV（真空紫外）光激发和电子附着可以使CO ₂分解为C（ ³ P）+ O ₂ （X 3Σg-）。 但是，以前没有人对这种奇异的过程进行足够详细的研究。 都是因为这样的实验的结果，没有发现电离的O ₂产物。 但是，正如我们所知，找不到任何东西并不意味着它根本不是。

因此，在我们今天正在研究的研究中，科学家将离子束散射方法与数学模型一起应用，以展示一种通过检测电离的O ₂产物来激活将CO ₂直接还原为O ₂的新方法。 该过程包含一个以前未知的分子内反应途径，该途径发生在离子与CO ₂表面的主动碰撞期间。 最令人惊讶的是，该反应对表面的性质和温度缺乏依赖性。

研究成果

首先，科学家通过绘制三种散射的分子离子产物（CO ₂ ⁺ ，O ₂ ⁺和O _2- ）对不同入射CO ₂ ⁺能量（E ₀ ）的动能分布，证明了在高温CO ₂ ⁺ / Au碰撞中O ₂的形成。 。 在E ₀ <80 eV时，检测到非常弱的散射CO ₂ ⁺信号（ 1a ，左图）。


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流出的CO ₂ ⁺的峰值能量与E ₀成正比，即从表面存在弹道或脉冲回弹，这不包括物理溅射。 科学家认为，观察“动态” CO ₂ ⁺信号至关重要，因为有证据表明某些CO _2能够幸免于表面碰撞。 另外，可以确定组成原子的碰撞顺序。 除了CO ₂ ^+之外 ，还观察到了散射的O ₂离子的信号（中央和右侧分别为1b ， 1c /图）。 在这种情况下，释放出的O ₂ ⁺和O _2-的能量占入射粒子能量的很大一部分（57％），并且与E ₀平行，在比分散的CO ₂ ⁺更大的范围内均匀地增加。 在E 0〜100 eV处观察到O ₂离子的最大信号。

研究人员称O ₂离子产物的发现令人惊讶，因为表面O ₂的原子化或O原子的抽象都不能解释这些离子的形成。 所有这些都是因为这两种机制都会以比观察到的低得多的输出能量产生O ₂ 。 逻辑上是假定此处涉及到了CO _2的离解。

CO _2的部分和完全解离与其他检测到的离子产物（CO ⁺ ，CO-，O ⁺ ，O-和C ⁺ ）非常一致。 流出的CO ⁺ ，CO-和O-的能量与入射粒子的能量平行变化，这与表面碰撞中的动态形成是一致的。

但是，峰O ⁺和C ⁺对E _0的依赖性极小，这表明来源不同，即喷射。 完全离解的确认是分散的C ⁺产物，其在E ₀ > 80 eV处表现出来。

接下来，科学家使用运动学来描述散射机制。

碰撞的二元理论（BPS）允许我们计算运动因子，运动因子定义为入射粒子能量的一部分，该能量由从表面出来的分散产物所保持。 在最简单的模型中，CO ₂ ⁺分散为整个分子，即 原子质量为44 Da的实心球。 在这种情况下，BPS预测的运动学系数为0.6349，与数据（ 2a ）的相关性很弱。


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此后，科学家应用了一个模型，在该模型中，O原子首先与表面Au原子发生碰撞，然后发生CO片段的第二次碰撞，而CO ₂分子没有快速解离。 BPS在此连续碰撞模型中的应用得出的运动学系数为0.7870，与输出的CO ₂ ⁺的能量数据（ 2a处的黑线）非常一致。 曲线2a还显示了其他向外散射的离子产物的能量。

这种产品的主要潜在来源可以称为CO _2的部分或完全解离以及吸附的CO ₂碎片的表面喷雾。 尽管事实上在E _0的高值（> 140 eV）上确实观察到了一些溅射，但是对输出粒子能量数据的运动学分析提供了令人信服的证据，表明存在CO ₂分子的精确脉冲解离。

接下来，科学家对观察到的散射粒子的速度进行了分析。

图2b显示了E ₀ = 56.4 eV处离子分布峰的比较。 我们可以看到，分散的CO ⁺ ，O ₂ ⁺ ，O _2-的出射速率与O-分布的较慢部分重叠，这表明存在共同点。 但是，O的分布明显更宽，扩展到更高的输出速度，这可能表明有其他来源。 由于化学键断裂和非共振表面电离导致的非弹性，O ₂离子产物以低于CO ₂ ^+的速率排出。

科学家们说，上述运动学分析提供了确凿的证据，表明在O和CO碎片经过两步连续碰撞后，一些CO ₂分子被完整地分散了。 然而，关于O ₂形成机理的各个方面仍然存在疑问。

实验之后，仍然存在许多问题。 首先，尚不清楚O _2是通过电子绝热机理还是非绝热机理产生的。 其次，离子碎片出口处速度分布基础的碰撞路径是未知的。 第三，尚不清楚_形成多少中性O ₂ 。

在这种情况下，建模可以弄清情况，即经典分子动力学方法（MD方法）。

为了模拟CO ₂在Au（111）上的散射轨迹，应用了实验中观察到的散射几何形状。 假设在硬碰撞之前中和入射的CO ₂ ⁺离子的情况下，CO ₂在单线态电子的势能表面上释放。

由于电子从金属表面到分子阳离子的共振隧穿而发生快速中和，因为CO ₂的分子水平（-13.8 eV）在被占据的Au区域内（从-5.3到-15.3 eV）。 在模拟中，还考虑了从/向表面的电子转移，以考虑中性碰撞产物的电离。

图像2c显示了输出粒子的计算出的能量值。

发现少量的CO ₂在E ₀ > 80 eV时保持完整性，这与在实际实验中在这些能量下不存在信号一致。 通过建模获得的数据与实验数据非常吻合，通过比较图2a （实验）和2c （模拟）可以很容易地看到这些数据。

除了实验和建模之间的这种一致性之外，它还通过比较E ₀ = 56.4 eV（ 2d ）处输出离子的速率来体现。 模型和实验均显示了CO ⁺和O-速度分布的扩展。 还已经证实，O ₂ ⁺和O _2-的 ^分布与阳离子相似，留下的速度比阴离子慢。 另外，在两种情况下，都发现CO ₂ ^+的出现速率高于电离的O ₂产物。

因此，使用该建模技术可以提供有关CO ₂直接转化为O ₂的反应机理的相当准确的数据。

在模拟的主要阶段，在出射粒子的不同能量下重现了20,000个Au上的CO ₂ -on碰撞轨迹。 结果，获得了多个解离产物的变体，包括O ₂ （ 3a ）。


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图3b示出了导致O ₂形成的代表性轨迹。 由于碰撞过程中的脉冲能量转移，在反弹的CO ₂内部发生了明显的分子内重排。 当CO ₂获得键长几乎相等的三角形构型时，O-O距离减小，而C-O距离增加，达到峰值。 这种强烈弯曲的中间CO ₂产物具有大量的内能并且迅速解离，导致形成游离的C原子和振动热的O ₂分子。


将CO ₂分离为自由C原子和热振动的O ₂分子的过程。

值得注意的是，上述分离机制与先前使用的运动学模型的结论完全一致。

计算表明，所有轨迹的大约5％导致CO ₂的强烈弯曲中间状态，这是O ₂提取的阶段之一。 这种情况主要通过部分解离（51％）来解决，此后再次完全解离，但结果更高（33％）。


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科学家注意到，在所有弯曲的CO ₂分子中，只有13％产生氧气。 即，在E ₀ ＝ 56.4eV下，CO ₂ →C + O ₂的解离的整体结果为0.6％。 如果增加入射粒子的能量，则可以在E 0〜70±15 eV下获得O ₂高达0.8±0.2％（图像4中的蓝线）。

另外，当达到强烈弯曲的中间态CO ₂ （绿线）时，形成O _2的轨迹的比例显着增加，在E 0〜55±10 eV时达到最大值13％。 中性O _2的总产率较低，是由于只有一小部分线性CO ₂分子达到了强烈弯曲的状态（红线）。 如果您专门更改传入的CO ₂分子的方向（平行于表面的轴），那么结果是您可以获得多2％的O ₂ （绿色虚线）。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下科学家的报告 。

结语

这项工作表明，通过非标准的化学反应，可以从二氧化碳中获得氧气。 没有人会认为这种技术需要进一步的完善和改进。 但是，这项工作确实为行星际旅行，火星的殖民化开辟了新的可能性，不仅不能否认这一事实。 我们的星球上的氧气和二氧化碳也存在问题。 相反，对于后者，自工业化以来，其数量已大大增加。 并且考虑到CO ₂是全球变暖的主要根源之一，减少其数量并从中获取氧气听起来是一个非常诱人的想法。 由于我们仍然离不开工厂，工厂，带有内燃机的汽车和其他东西，因此，不仅需要清洁大气的新方法，而且是极其必要的。 到遥远的星球旅行固然很酷，但是在大规模前往火星之前仍然非常非常遥远，因此，值得思考的是我们生活的地球，而不是梦想的火星。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！ :)

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