Le système carbonaté de la nature, la chimie dynamique mettant en jeu le dioxyde de carbone (CO2), carbonate (CO32-), bicarbonate (HCO3-), et l'acide carbonique (H2CO3), est un élément vital de la biosphère. Carbonate, bicarbonate, et de l'acide carbonique émergent lorsque le dioxyde de carbone atmosphérique se dissout dans les océans, qui est le plus grand puits de ce gaz à effet de serre. Les chercheurs souhaitent mieux comprendre le système carbonaté pour aider potentiellement à faciliter les schémas de séquestration du carbone, en particulier avec les minéraux liant le carbone, pour aider à atténuer le changement climatique. Le système carbonaté est également au cœur des systèmes de respiration biologique, une autre raison pour laquelle les chercheurs s'intéressent à cette chimie.

Récemment, un groupe de chimistes de l'Université de Californie, Berkeley s'est associé à des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) et a fait des découvertes révolutionnaires sur le comportement des espèces carbonatées à la surface de l'eau salée, comme celui de l'océan. Ils rapportent leurs conclusions cette semaine dans The Journal de physique chimique , des éditions AIP.

Selon l'un des auteurs de l'article, Richard Saykally, professeur de chimie à l'UC Berkeley, une forte motivation pour cette recherche était la compréhension des processus chimiques impliqués dans la séquestration du carbone. Ils ont découvert que si l'acide carbonique neutre était le plus présent à la surface, comme on s'y attendait, l'ion carbonate le plus chargé était plus abondant que le bicarbonate le plus faible.

« Nous voulons faire progresser de manière générale notre compréhension du cycle mondial du carbone, " Saykally a dit. " Les aspects de ce cycle sur lesquels nous nous sommes concentrés commencent par le dioxyde de carbone dans l'atmosphère se dissolvant dans l'eau salée, suivi d'une chimie très intéressante."

Le dioxyde de carbone est capté par la surface de l'eau et hydraté pour former de l'acide carbonique ou du bicarbonate, qui peut ensuite s'ioniser en bicarbonate ou en carbonate où le carbonate peut réagir avec les ions de magnésium ou de calcium dissous pour former du calcaire.

"Nous voulons connaître toutes ces étapes allant du dioxyde de carbone gazeux dans l'atmosphère au calcaire, " Saykally a déclaré. "Notre objectif est de comprendre tous les détails de toutes les étapes de ce processus."

Royce Lam, doctorant en chimie à l'UC Berkeley, un co-auteur de l'article qui a dirigé une grande partie de la recherche, voulait s'appuyer sur des examens antérieurs de la structure d'hydratation des espèces du système carbonique, en se concentrant sur les abondances relatives des espèces carbonatées à la surface du liquide.

En collaboration avec le Dr Hendrik Bluhm de LBNL, Lam et ses co-auteurs ont utilisé la ligne de lumière de spectroscopie de photoémission à pression ambiante (APPES) (11.0.2) au synchrotron Advanced Light Source du LBNL, pour effectuer des mesures de spectroscopie de photoémission de rayons X (XPS), un moyen de sonder la composition moléculaire des matériaux à l'aide d'un faisceau intense de rayons X de haute énergie. Le système XPS leur a permis de sonder différents aspects du système carbonaté auxquels ils n'avaient pas accès auparavant.

"La particularité du XPS, c'est qu'il nous permet de sonder à différentes profondeurs la surface de l'eau, " Lam a dit. "C'est l'une des rares lignes de lumière au monde qui peut faire cette classe d'expériences sur les liquides."

Pour les échantillons, Lam solutions combinées de l'espèce carbonate et de l'acide chlorhydrique, qui ressemblait fortuitement au système océanique. Avec un appareil à microjet liquide, les chercheurs ont injecté ces échantillons dans une chambre à vide et les ont sondés à plusieurs énergies de rayons X pour déduire les abondances relatives des espèces carbonatées à partir des électrons photoémis.

A la surface du liquide, le carbonate et l'acide carbonique étaient plus abondants que le biocarbonate. La surprise la plus importante était que le carbonate le plus chargé était plus abondant à la surface que le bicarbonate moins chargé, qui entre en conflit avec les attentes des modèles théoriques existants.

Cela soulève une question importante sur l'endroit où le bicarbonate pourrait se déplacer dans le système, avec une possibilité que le carbonate puisse être « appariement d'ions » avec du sodium, changer la chimie, et provoquant le déplacement du bicarbonate vers des profondeurs inférieures.

"Nous travaillons toujours sur la théorie et nous espérons que cet article stimulera une discussion théorique plus approfondie qui pourrait en fait donner des informations définitives sur ce qui se passe ici, " dit Lam.

Lam espère que cette recherche conduira également à des recherches plus directes sur les possibilités de séquestration du carbone.

"Donc, la prochaine étape serait d'approfondir l'appariement des ions, et essentiellement calcaire ou formation minérale, Plus précisément, en regardant l'interaction des ions calcium et magnésium avec le carbonate, " Lam a dit à propos d'une possibilité de séquestration du carbone dont il a discuté.

Saykally pense que cette recherche est liée à l'ensemble du système de chimie des carbonates aqueux, avec des applications allant de la séquestration du carbone à la recherche biomédicale.

« Pour réaliser ce genre d'avancées, Je crois que vous devez connaître chaque détail de la chimie impliquée dans toutes ces étapes du système eau-carbonate. » Saykally a déclaré. « C'est une chimie très complexe avec de profondes implications pratiques.