生物質(zhì)（秸稈、草原、森林等）通過不完全燃燒每年生成約2.6億噸火成碳（Pyrogenic carbon）。其可以通過河流和大氣運輸進入海洋，其中的惰性火成碳作為海洋中黑碳的來源；這種碳在環(huán)境中擁有超長的停留時間，具有巨大的長期碳匯潛力，是影響碳封存和氣候變化的重要因素。

然而，近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，海洋中的黑碳與河流中的火成碳之間存在顯著的碳-13同位素豐度差異。可能說明海洋中存在未知的海洋碳循環(huán)過程，使得惰性火成碳發(fā)生了礦化（有機碳氧化為無機碳形式）或同位素分餾。

沿海地區(qū)有豐富的波浪能，波浪破碎過程是地球上水霧化成微液滴（海洋飛沫）的重要機制。很多在體相水中速率很慢或難以發(fā)生的化學反應(yīng)，可以在含水微液滴表界面快速進行。

鑒于此，中國科學院大連化學物理研究所生物能源研究部生物能源化學品研究組王峰研究員、賈秀全副研究員團隊與中國海洋大學海洋化學理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室包銳教授團隊、中國科學院大連化學物理研究所儀器分析化學研究室質(zhì)譜與快速檢測研究中心李海洋研究員團隊合作，基于海洋表面在波浪能作用下霧化生成海水微液滴的現(xiàn)象，對海水微液滴在海洋碳循環(huán)中的物理化學作用展開了研究。

研究將碳煙作為惰性火成碳的代表性組分，被選為該工作的研究對象。他們首先通過研究海水微液滴與碳煙之間的電荷轉(zhuǎn)移過程，發(fā)現(xiàn)海水微液滴的水-汽界面與水-碳界面之間存在電勢差，進一步通過確認對碳煙氧化生成碳自由基和海水產(chǎn)氫反應(yīng)，推測出碳煙在霧化海水中發(fā)生了電偶腐蝕（圖1）。

圖1 碳煙與海水微液滴之間的電化學反應(yīng)

研究揭示了碳煙在霧化海水中降解生成的產(chǎn)物（圖2）。他們發(fā)現(xiàn)，由于羥基和羧基等官能團的生成，與微液滴反應(yīng)后的碳煙H/C和O/C值明顯提高。對反應(yīng)產(chǎn)物進行定量分析后發(fā)現(xiàn)，碳煙中的C元素約20%以CO、CO2的形式得以釋放。研究人員觀察到該降解過程會引發(fā)碳煙穩(wěn)定碳同位素的顯著分餾（約2.6‰），降解后剩余碳煙的碳-13同位素豐度更接近理論海洋中黑碳的碳-13同位素豐度。

圖2 海水微液滴增加了碳煙中13C的豐度

最后，該研究發(fā)現(xiàn)海水微液滴還能夠?qū)е绿紵煹目焖俪两担▓D3）。與微液滴反應(yīng)后的碳煙石墨化程度提高，缺陷減少。同時生成羥基（-OH）、羧基（-COOH）等官能團，表明稠環(huán)芳香結(jié)構(gòu)邊緣缺陷處發(fā)生了氧化降解。經(jīng)過以上化學變化，球型碳煙顆粒組成的松散結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成了致密的片狀堆積結(jié)構(gòu)，促進了碳煙的快速沉降。

圖3 碳煙在海水微液滴條件下的沉降

碳煙在霧化海水環(huán)境中富集碳-13同位素，并發(fā)生快速沉降的性質(zhì)，為研究黑碳在海洋中的轉(zhuǎn)化與埋藏提供了關(guān)鍵證據(jù)。大部分來自生物質(zhì)不完全燃燒的河流黑碳可能會在沿海海浪的微液滴環(huán)境中富集13C并快速沉降，隨后，這些在沿海沉降的碳通過再懸浮過程，可能成為外海中溶解態(tài)黑碳的主要來源。一小部分火成碳會隨著亞微米液滴氣溶膠進入大氣，這些沿海生成的氣溶膠經(jīng)過大氣傳輸，推測可能成為外海中溶解態(tài)黑碳富集13C的原因之一。由于人類活動所導致的全球變暖現(xiàn)象，沿海地區(qū)的波浪能強度會持續(xù)攀升，將來應(yīng)更加關(guān)注海洋飛沫對于碳循環(huán)方面的影響與作用。

圖4 火成碳在海水微液滴驅(qū)動下將大氣CO2封存到海洋的概念模型

這一研究成果近期發(fā)表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作共同第一作者是鄭州大學碩士研究生張若瀾，中國科學院大連化學物理研究所質(zhì)譜與快速檢測研究中心博士研究生張振元和生物能源化學品研究組博士研究生陳徐錁。