Ein Forschungsteam am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin, dem Qatar Environment and Energy Research Institute/Hamad Bin Khalifa University, den Synchrotronen PETRA III in Hamburg und SOLEIL in Gif-sur-Yvette (Frankreich), der Sorbonne Universität in Paris, der ETH Zürich und dem PSI Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften (Schweiz) hat eine bahnbrechende Entdeckung gemacht, wie Luftverschmutzung auf molekularer Ebene entsteht. Ihre Untersuchung, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Communications, beleuchtet die komplexen chemischen Prozesse, die an der Grenze zwischen Flüssigkeit, insbesondere wässrigen Lösungen, und Dampf in unserer Atmosphäre ablaufen.
Die internationale Studie konzentriert sich auf die Unterschiede komplexer Säure-Base-Gleichgewichte (d.h. das Verhältnis zwischen basischen und sauren Komponenten) innerhalb des Volumens einer Lösung einerseits und an der Schnittstelle zwischen der Lösung und dem umgebenden Dampf andererseits.
Während es mit modernen Methoden einfach ist, Säure-Base-Gleichgewichte im Volumen einer Lösung zu messen, ist die Bestimmung dieser Gleichgewichte an der Grenze zwischen einer Lösung und der umgebenden Gasphase eine Herausforderung. Obwohl diese Grenzschicht etwa hunderttausendmal schmaler ist als ein menschliches Haar, spielt sie eine sehr wichtige Rolle bei Prozessen, die Luftverschmutzung und Klimawandel beeinflussen. Die Untersuchung der Chemie der Lösung-Dampf-Grenze auf molekularer Ebene hilft daher, verbesserte Modelle für unser Verständnis des Schicksals von Aerosolen in der Atmosphäre und deren Einfluss auf das globale Klima zu entwickeln.
Wichtige Erkenntnisse:
1. Bestimmung komplexer Säure-Base-Gleichgewichte: Die Forscher*innen nutzten komplementäre spektroskopische Methoden, um die komplexen Säure-Base-Gleichgewichte zu entschlüsseln, die entstehen, wenn das Schadstoff Schwefeldioxid (SO₂) in Wasser gelöst wird.
2. Einzigartiges Verhalten an der Flüssig-Dampf-Grenze: Unter sauren Bedingungen ist das tautomere Gleichgewicht zwischen Bisulfit und Sulfonat stark zugunsten der Sulfonat-Spezies verschoben.
3. Stabilisierung an der Grenzfläche: Molekulardynamische Simulationen zeigten, dass das Sulfonat-Ion und seine Säure (Sulfon-Säure) an der Grenzfläche aufgrund von Ionenpaarung und höheren Dehydratisierungsbarrieren stabilisiert werden. Dies erklärt, warum die tautomeren Gleichgewichte an der Grenzfläche verschoben sind.
Auswirkungen auf die Luftverschmutzung:
Die Ergebnisse heben die unterschiedlichen Verhaltensweisen von Chemikalien an der Grenzfläche im Vergleich zur Volumenumgebung hervor. Dieser Unterschied beeinflusst erheblich, wie Schwefeldioxid absorbiert wird und mit anderen Schadstoffen wie Stickoxiden (NOx) und Wasserstoffperoxid (H₂O₂) in der Atmosphäre reagiert. Das Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend für die Entwicklung von Strategien zur Reduzierung der Luftverschmutzung und ihrer schädlichen Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt.