The dynamics of vibrational relaxation of carbon dioxide in water has been studied using femtosecond mid-infrared pump–probe spectroscopy with excitation of the anti-symmetric stretching (ν3) fundamental state of the solute. The relaxation dynamics were recorded at a constant pressure of 500 bars and in the temperature range between 300 and 600 K, thereby covering the liquid-to-near-critical region of the solvent. The excited state of the ν3-mode is deactivated in two competing pathways: (i) direct relaxation to the ground state with resonant transfer of the excess vibrational energy into the bending–librational continuum of the water solvent and (ii) relaxation to the bending fundamental state with transfer into the intramolecular bending mode of H2O. The rate of pathway (i) decreases with increasing temperature, from ∼1/(9 ps) at 300 K to ∼(1/16 ps) at 600 K and obeys Fermi’s golden rule strictly, provided that the spectral density of energy-accepting solvent states is derived from the stationary infrared absorption profile of H2O. The rate of pathway (ii) is 1/(23 ps) and assumed to be temperature-independent within our data analysis. Finally, the bending fundamental of CO2 can also relax to the ground state by resonantly transferring the remaining excess energy to the librational fundamentals of the solvent.

1.
Translated from
R. J. E.
Clausius
,
Über die Energievorräthe der Natur und ihre Verwerthung zum Nutzen der Menschheit
(
Verlag Max Cohen & Sohn
,
Bonn
,
1885
), p.
24
.
2.
U.
Cubasch
,
K.
Hasselmann
,
H.
Höck
,
E.
Maier-Reimer
,
U.
Mikolajewicz
,
B. D.
Santer
, and
R.
Sausen
,
Clim. Dyn.
8
,
55
(
1992
).
3.
M. R.
Allen
,
D. J.
Frame
,
C.
Huntingford
,
C. D.
Jones
,
J. A.
Lowe
,
M.
Meinshausen
, and
N.
Meinshausen
,
Nature
458
,
1163
(
2009
).
4.
S.
Manabe
,
Tellus A
71
,
1620078
(
2019
).
5.
C. L.
Sabine
,
R. A.
Feely
,
N.
Gruber
,
R. M.
Key
,
K.
Lee
,
J. L.
Bullister
,
R.
Wanninkhof
,
C. S.
Wong
,
D. W. R.
Wallace
,
B.
Tilbrook
,
F. J.
Millero
,
T.-H.
Peng
,
A.
Kozyr
,
T.
Ono
, and
A. F.
Rios
,
Science
305
,
367
(
2004
).
6.
N.
Gruber
,
D.
Clement
,
B. R.
Carter
,
R. A.
Feely
,
S.
van Heuven
,
M.
Hoppema
,
M.
Ishii
,
R. M.
Key
,
A.
Kozyr
,
S. K.
Lauvset
,
C.
Lo Monaco
,
J. T.
Mathis
,
A.
Murata
,
A.
Olsen
,
F. F.
Perez
,
C. L.
Sabine
,
T.
Tanhua
, and
R.
Wanninkhof
,
Science
363
,
1193
(
2019
).
7.
J.
Raven
,
K.
Caldeira
,
H.
Elderfield
,
O.
Hoegh-Guldberg
,
P.
Liss
,
U.
Reiesebell
,
J. R.
Shepherd
,
C.
Turley
, and
A.
Watson
,
Ocean Acidification Due to Increasing Atmospheric Carbon Dioxide
(
The Royal Society
,
London
,
2005
).
8.
M.
Hofmann
,
S.
Mathesius
,
E.
Kriegler
,
D. P.
van Vuuren
, and
H. J.
Schellnhuber
,
Nat. Commun.
10
,
5592
(
2019
).
9.
K.
Caldeira
and
M. E.
Wickett
,
Nature
425
,
365
(
2003
).
10.
S.
Mathesius
,
M.
Hofmann
,
K.
Caldeira
, and
H. J.
Schellnhuber
,
Nat. Clim. Change
5
,
1107
(
2015
).
11.
F. J.
Millero
,
Geochim. Cosmochim. Acta
59
,
661
(
1995
).
12.
S. K.
Reddy
and
S.
Balasubramanian
,
Chem. Commun.
50
,
503
(
2014
).
13.
J. D.
van der Waals
, “
De continuiteit van de gas- en vloeistoftoestand
,” Ph.D. thesis,
A. W. Sijthoff
,
Leiden
,
1873
.
14.
R.
Clausius
,
Ann. Chem. Phys.
245
,
337
(
1880
).
15.
R.
Bunsen
,
Ann. Chem. Pharm.
93
,
1
(
1855
).
16.
R.
Span
and
W.
Wagner
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
25
,
1509
(
1996
).
17.
A.
Saul
and
W.
Wagner
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
18
,
1537
(
1989
).
18.
R.
Hilbert
,
K.
Tödheide
, and
E. U.
Franck
,
Ber. Bunsenges. Phys. Chem.
85
,
636
(
1981
).
19.
B.
Guignon
,
C.
Aparicio
, and
P. D.
Sanz
,
J. Chem. Eng. Data
55
,
3338
(
2010
).
20.
W.
Wagner
and
A.
Pruss
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
31
,
387
(
2002
).
21.
S. M.
Sterner
and
K. S.
Pitzer
,
Contrib. Mineral. Petrol.
117
,
362
(
1994
).
22.
V. V.
Altunin
and
O. O.
Gadetskii
,
Therm. Eng.
18
,
120
(
1971
).
23.
S.
Angus
,
B.
Armstrong
, and
K. M.
de Rerrck
,
Carbon Dioxide - International Thermodynamic Tables of the Fluid State
(
Pergamon Press
,
Oxford
,
1976
).
24.
F.
Lucile
,
P.
Cézac
,
F.
Contamine
,
J.-P.
Serin
,
D.
Houssin
, and
P.
Arpentinier
,
J. Chem. Eng. Data
57
,
784
(
2012
).
25.
L. W.
Diamond
and
N. N.
Akinfiev
,
Fluid Phase Equilib.
208
,
265
(
2003
).
26.
A.
Chapoy
,
A. H.
Mohammadi
,
A.
Chareton
,
B.
Tohidi
, and
D.
Richon
,
Ind. Eng. Chem. Res.
43
,
1794
(
2004
).
27.
R.
Wiebe
and
V. L.
Gaddy
,
J. Am. Chem. Soc.
62
,
815
(
1940
).
28.
E.
Bartholomé
and
H.
Friz
,
Chem. Ing. Tech.
28
,
706
(
1956
).
29.
K. R.
Harris
and
L. A.
Woolf
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1
76
,
377
(
1980
).
30.
K.
Bagchi
,
S.
Balasubramanian
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
107
,
8561
(
1997
).
31.
W.
Lu
,
H.
Guo
,
I. M.
Chou
,
R. C.
Burruss
, and
L.
Li
,
Geochim. Cosmochim. Acta
115
,
183
(
2013
).
32.
O. A.
Moultos
,
I. N.
Tsimpanogiannis
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
I. G.
Economou
,
J. Phys. Chem. B
118
,
5532
(
2014
).
33.
S. P.
Cadogan
,
G. C.
Maitland
, and
J. P. M.
Trusler
,
J. Chem. Eng. Data
59
,
519
(
2014
).
34.
M. J. W.
Frank
,
J. A. M.
Kuipers
, and
W. P. M.
van Swaaij
,
J. Chem. Eng. Data
41
,
297
(
1996
).
35.
K.
Krynicki
,
C. D.
Green
, and
D. W.
Sawyer
,
Faraday Discuss.
66
,
199
(
1978
).
36.
C. G.
Aimoli
,
E. J.
Maginn
, and
C. R. A.
Abreu
,
J. Chem. Phys.
141
,
134101
(
2014
).
37.
K.
Rah
and
B. C.
Eu
,
J. Chem. Phys.
114
,
10436
(
2001
).
38.
C. A.
Angell
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
34
,
593
(
1983
).
39.
C. A.
Angell
,
E. D.
Finch
, and
P.
Bach
,
J. Chem. Phys.
65
,
3063
(
1976
).
40.
E.
Lang
and
H. D.
Lüdemann
,
J. Chem. Phys.
67
,
718
(
1977
).
41.
E. W.
Lang
and
H.-D.
Lüdemann
,
Angew. Chem., Int. Ed.
21
,
315
(
1982
).
42.
M.
In Het Panhuis
,
C. H.
Patterson
, and
R. M.
Lynden-Bell
,
Mol. Phys.
94
,
963
(
1998
).
43.
Y.
Pocker
and
D. W.
Bjorkquist
,
J. Am. Chem. Soc.
99
,
6537
(
1977
).
44.
A. L.
Soli
and
R. H.
Byrne
,
Mar. Chem.
78
,
65
(
2002
).
45.
X.
Wang
,
W.
Conway
,
R.
Burns
,
N.
McCann
, and
M.
Maeder
,
J. Phys. Chem. A
114
,
1734
(
2010
).
46.
K.
Adamczyk
,
M.
Prémont-Schwarz
,
D.
Pines
,
E.
Pines
, and
E. T. J.
Nibbering
,
Science
326
,
1690
(
2009
).
47.
A.
Stirling
,
J. Phys. Chem. B
115
,
14683
(
2011
).
48.
P. P.
Kumar
,
A. G.
Kalinichev
, and
R. J.
Kirkpatrick
,
J. Phys. Chem. B
113
,
794
(
2009
).
49.
K.
Leung
,
I. M. B.
Nielsen
, and
I.
Kurtz
,
J. Phys. Chem. B
111
,
4453
(
2007
).
50.
A. H.
England
,
A. M.
Duffin
,
C. P.
Schwartz
,
J. S.
Uejio
,
D.
Prendergast
, and
R. J.
Saykally
,
Chem. Phys. Lett.
514
,
187
(
2011
).
51.
R. K.
Lam
,
A. H.
England
,
A. T.
Sheardy
,
O.
Shih
,
J. W.
Smith
,
A. M.
Rizzuto
,
D.
Prendergast
, and
R. J.
Saykally
,
Chem. Phys. Lett.
614
,
282
(
2014
).
52.
R. K.
Lam
,
A. H.
England
,
J. W.
Smith
,
A. M.
Rizzuto
,
O.
Shih
,
D.
Prendergast
, and
R. J.
Saykally
,
Chem. Phys. Lett.
633
,
214
(
2015
).
53.
H. J.
Bakker
and
J. L.
Skinner
,
Chem. Rev.
110
,
1498
(
2010
).
54.
J. B.
Asbury
,
T.
Steinel
,
K.
Kwak
,
S. A.
Corcelli
,
C. P.
Lawrence
,
J. L.
Skinner
, and
M. D.
Fayer
,
J. Chem. Phys.
121
,
12431
(
2004
).
55.
M. L.
Cowan
,
B. D.
Bruner
,
N.
Huse
,
J. R.
Dwyer
,
B.
Chugh
,
E. T. J.
Nibbering
,
T.
Elsaesser
, and
R. J. D.
Miller
,
Nature
434
,
199
(
2005
).
56.
S. T.
Roberts
,
K.
Ramasesha
, and
A.
Tokmakoff
,
Acc. Chem. Res.
42
,
1239
(
2009
).
57.
J.
Lindner
,
P.
Vöhringer
,
M. S.
Pshenichnikov
,
D.
Cringus
,
D. A.
Wiersma
, and
M.
Mostovoy
,
Chem. Phys. Lett.
421
,
329
(
2006
).
58.
D.
Schwarzer
,
J.
Lindner
, and
P.
Vöhringer
,
J. Chem. Phys.
123
,
161105
(
2005
).
59.
K.
Winkler
,
J.
Lindner
, and
P.
Vöhringer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
4
,
2144
(
2002
).
60.
K. J.
Tielrooij
,
N.
Garcia-Araez
,
M.
Bonn
, and
H. J.
Bakker
,
Science
328
,
1006
(
2010
).
61.
M.
Thämer
,
L.
De Marco
,
K.
Ramasesha
,
A.
Mandal
, and
A.
Tokmakoff
,
Science
350
,
78
(
2015
).
62.
F.
Dahms
,
B. P.
Fingerhut
,
E. T. J.
Nibbering
,
E.
Pines
, and
T.
Elsaesser
,
Science
357
,
491
(
2017
).
63.
P.
Hamm
,
M.
Lim
, and
R. M.
Hochstrasser
, paper presented at the
Ultrafast Phenomena XI, Berlin, Heidelberg
,
1998
.
64.
S.
Garrett-Roe
and
P.
Hamm
,
J. Chem. Phys.
130
,
164510
(
2009
).
65.
T.
Brinzer
,
E. J.
Berquist
,
Z.
Ren
,
S.
Dutta
,
C. A.
Johnson
,
C. S.
Krisher
,
D. S.
Lambrecht
, and
S.
Garrett-Roe
,
J. Chem. Phys.
142
,
212425
(
2015
).
66.
C. A.
Daly
,
E. J.
Berquist
,
T.
Brinzer
,
S.
Garrett-Roe
,
D. S.
Lambrecht
, and
S. A.
Corcelli
,
J. Phys. Chem. B
120
,
12633
(
2016
).
67.
E. J.
Berquist
,
C. A.
Daly
,
T.
Brinzer
,
K. K.
Bullard
,
Z. M.
Campbell
,
S. A.
Corcelli
,
S.
Garrett-Roe
, and
D. S.
Lambrecht
,
J. Phys. Chem. B
121
,
208
(
2017
).
68.
T.
Brinzer
,
C. A.
Daly
,
C.
Allison
,
S.
Garrett-Roe
, and
S. A.
Corcelli
,
J. Phys. Chem. B
122
,
8931
(
2018
).
69.
C. H.
Giammanco
,
P. L.
Kramer
,
S. A.
Yamada
,
J.
Nishida
,
A.
Tamimi
, and
M. D.
Fayer
,
J. Chem. Phys.
144
,
104506
(
2016
).
70.
C. H.
Giammanco
,
S. A.
Yamada
,
P. L.
Kramer
,
A.
Tamimi
, and
M. D.
Fayer
,
J. Phys. Chem. B
120
,
6698
(
2016
).
71.
C. H.
Giammanco
,
P. L.
Kramer
,
S. A.
Yamada
,
J.
Nishida
,
A.
Tamimi
, and
M. D.
Fayer
,
J. Phys. Chem. B
120
,
549
(
2016
).
72.
J. Y.
Shin
,
S. A.
Yamada
, and
M. D.
Fayer
,
J. Phys. Chem. B
122
,
2389
(
2018
).
73.
C. J.
Kelsheimer
and
S.
Garrett-Roe
,
J. Phys. Chem. B
125
,
1402
(
2021
).
74.
C. G.
Pyles
,
G. M.
Gretz
,
I. C.
Spector
, and
A. M.
Massari
,
J. Phys. Chem. B
125
,
8997
(
2021
).
75.
P.
Brünker
,
L. I.
Domenianni
,
N.
Fleck
,
J.
Lindner
,
O.
Schiemann
, and
P.
Vöhringer
,
J. Chem. Phys.
154
,
134305
(
2021
).
76.
J. J.
Fox
,
A. E.
Martin
, and
R.
Robertson
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
174
,
234
(
1940
).
77.
A. B.
McCoy
,
J. Phys. Chem. B
118
,
8286
(
2014
).
78.
A. B.
McCoy
,
T. L.
Guasco
,
C. M.
Leavitt
,
S. G.
Olesen
, and
M. A.
Johnson
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
7205
(
2012
).
79.
A.
Chédin
,
J. Mol. Spectrosc.
76
,
430
(
1979
).
80.
W. D.
Allen
,
Y.
Yamaguchi
,
A. G.
Császár
,
D. A.
Clabo
,
R. B.
Remington
, and
H. F.
Schaefer
,
Chem. Phys.
145
,
427
(
1990
).
81.
U.
Fano
,
Phys. Rev.
124
,
1866
(
1961
).
82.
W. M.
Irvine
and
J. B.
Pollack
,
Icarus
8
,
324
(
1968
).
83.
J. E.
Bertie
,
M. K.
Ahmed
, and
H. H.
Eysel
,
J. Phys. Chem.
93
,
2210
(
1989
).
84.
J. E.
Bertie
and
Z.
Lan
,
Appl. Spectrosc.
50
,
1047
(
1996
).
85.
L. H.
Jones
and
E.
McLaren
,
J. Chem. Phys.
28
,
995
(
1958
).
86.
I.
Suzuki
,
J. Mol. Spectrosc.
80
,
12
(
1980
).
87.
M.
Falk
and
A. G.
Miller
,
Vib. Spectrosc.
4
,
105
(
1992
).
88.
P. G.
Maiella
,
J. W.
Schoppelrei
, and
T. B.
Brill
,
Appl. Spectrosc.
53
,
351
(
1999
).
89.
S.
Schaden
,
M.
Haberkorn
,
J.
Frank
,
J. R.
Baena
, and
B.
Lendl
,
Appl. Spectrosc.
58
,
667
(
2004
).
90.
C.
Delalande
and
G. M.
Gale
,
J. Chem. Phys.
71
,
4804
(
1979
).
91.
C.
Delalande
and
G. M.
Gale
,
J. Chem. Phys.
73
,
1918
(
1980
).
92.
M.
Sedlacek
and
A.
Asenbaum
,
J. Chem. Phys.
71
,
4531
(
1979
).
93.
D.
Schwarzer
,
J.
Lindner
, and
P.
Vöhringer
,
J. Phys. Chem. A
110
,
2858
(
2006
).
94.
T.
Schäfer
,
J.
Lindner
,
P.
Vöhringer
, and
D.
Schwarzer
,
J. Chem. Phys.
130
,
224502
(
2009
).
95.
J. O.
Hirschfelder
,
C. F.
Curtiss
, and
R. B.
Bird
,
Molecular Theory of Gases and Liquids
(
John Wiley & Sons
,
New York
,
1954
).
96.
N.
Prasetyo
and
T. S.
Hofer
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
6472
(
2018
).
97.
S. J.
Cai
,
Z. C.
Hu
,
J. W.
Li
,
Y. L.
Zhang
, and
X. R.
Zhang
,
Int. J. Mod. Phys. B
32
,
1850296
(
2018
).
98.
S. R.
Zukowski
,
P. D.
Mitev
,
K.
Hermansson
, and
D.
Ben-Amotz
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
2971
(
2017
).
99.
J.
Vorholz
,
V. I.
Harismiadis
,
B.
Rumpf
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
G.
Maurer
,
Fluid Phase Equilib.
170
,
203
(
2000
).
100.
D.
Jiao
and
S. B.
Rempe
,
J. Chem. Phys.
134
,
224506
(
2011
).
101.
S. T.
Moin
,
A. B.
Pribil
,
L. H. V.
Lim
,
T. S.
Hofer
,
B. R.
Randolf
, and
B. M.
Rode
,
Int. J. Quantum Chem.
111
,
1370
(
2011
).
102.
V. M.
Kenkre
,
A.
Tokmakoff
, and
M. D.
Fayer
,
J. Chem. Phys.
101
,
10618
(
1994
).
103.
P.
Moore
,
A.
Tokmakoff
,
T.
Keyes
, and
M. D.
Fayer
,
J. Chem. Phys.
103
,
3325
(
1995
).
104.
D.
Czurlok
,
J.
Gleim
,
J.
Lindner
, and
P.
Vöhringer
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
3373
(
2014
).
105.
D.
Czurlok
,
M.
von Domaros
,
M.
Thomas
,
J.
Gleim
,
J.
Lindner
,
B.
Kirchner
, and
P.
Vöhringer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
29776
(
2015
).
106.
G.
Ng Pack
,
M. C.
Rotondaro
,
P. P.
Shah
,
A.
Mandal
,
S.
Erramilli
, and
L. D.
Ziegler
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
21249
(
2019
).
107.
C. B.
Moore
,
R. E.
Wood
,
B. L.
Hu
, and
J. T.
Yardley
,
J. Chem. Phys.
46
,
4222
(
1967
).
108.
Y.
Maréchal
,
J. Mol. Struct.
322
,
105
(
1994
).
109.
P. K.
Verma
,
A.
Kundu
,
M. S.
Puretz
,
C.
Dhoonmoon
,
O. S.
Chegwidden
,
C. H.
Londergan
, and
M.
Cho
,
J. Phys. Chem. B
122
,
2587
(
2018
).
110.
A. Y.
Zasetsky
,
A. F.
Khalizov
,
M. E.
Earle
, and
J. J.
Sloan
,
J. Phys. Chem. A
109
,
2760
(
2005
).
111.
G. M.
Hale
and
M. R.
Querry
,
Appl. Opt.
12
,
555
(
1973
).
112.
P. A.
Bopp
,
A. A.
Kornyshev
, and
G.
Sutmann
,
J. Chem. Phys.
109
,
1939
(
1998
).
113.
D. C.
Elton
and
M.
Fernández-Serra
,
Nat. Commun.
7
,
10193
(
2016
).
114.
Z.
Cihla
and
A.
Chédin
,
J. Mol. Spectrosc.
40
,
337
(
1971
).
115.
H. P.
Martins Filho
,
Spectrochim Acta, Part A
58
,
2621
(
2002
).
116.
S.
Straub
,
P.
Brünker
,
J.
Lindner
, and
P.
Vöhringer
,
Angew. Chem., Int. Ed.
57
,
5000
(
2018
).
117.
S.
Straub
,
P.
Brünker
,
J.
Lindner
, and
P.
Vöhringer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
20
,
21390
(
2018
).
118.
M.
Basire
,
F.
Mouhat
,
G.
Fraux
,
A.
Bordage
,
J.-L.
Hazemann
,
M.
Louvel
,
R.
Spezia
,
S.
Bonella
, and
R.
Vuilleumier
,
J. Chem. Phys.
146
,
134102
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.