一种有前途的新方法利用光来永久清除化学物质

全氟烷基物质 (PFAS) 被称为“永久化学物质”，对环境和健康构成了日益严重的威胁。自 1938 年特氟龙发明以来，PFAS 和全氟聚合物 (PF) 因其出色的稳定性和耐水性和耐热性而被广泛使用。这些特性使它们成为从炊具和服装到消防泡沫等无数应用的理想选择。然而，这种稳定性却成为一个大问题。PFAS 不易在环境中分解，导致其在水、土壤甚至人体中积累，已知它们会引起致癌作用和荷尔蒙紊乱。如今，这些化学物质可以在饮用水供应、食物甚至南极洲的土壤中找到。尽管有计划逐步淘汰 PFAS 生产，但处理它们仍然具有挑战性，因为它们只有在超过 400°C 的温度下才会分解。因此，一定数量的含有 PFAS 和 PF 的产品最终会被填埋，可能会造成未来的污染风险。

现在，立命馆大学的研究人员提出了一种室温脱氟方法，可能会彻底改变 PFAS 的处理方式。他们的研究于 2024 年 6 月 19 日发表在《应用化学国际版》 杂志上，详细介绍了一种光催化方法，该方法利用可见光在室温下将 PFAS 和其他氟化聚合物 (FP) 分解为氟离子。利用这种方法，研究人员在光照 8 小时内就实现了全氟辛烷磺酸盐 (PFOS) 的 100% 脱氟。

该研究的主要作者小林​​洋一教授表示：“所提出的方法有望在温和条件下有效分解各种全氟烷基物质，从而为建立可持续的氟循环社会做出重大贡献。”

所提出的方法涉及在含有 PFAS、FP 和三乙醇胺 (TEOA) 的溶液中，将可见 LED 光照射到硫化镉 (CdS) 纳米晶体和表面配体为巯基丙酸 (MPA) 的铜掺杂 CdS (Cu-CdS) 纳米晶体上。研究人员发现，照射这些半导体纳米晶体会产生具有高还原电位的电子，从而破坏 PFAS 分子中强碳氟键。

对于光催化反应，研究人员将 0.8 毫克 CdS 纳米晶体 (NC)、0.65 毫克 PFOS 和 20 毫克 TEOA 添加到 1.0 毫升水中。然后他们将溶液暴露在 405 纳米 LED 光下以启动光催化反应。这种光激发纳米颗粒，产生电子空穴对并促进 MPA 配体从纳米晶体表面去除，为 PFOS 分子吸附到 NC 表面创造空间。

为了防止光激发电子与空穴复合，添加了 TEOA 来捕获空穴并延长可用于 PFAS 分解的反应电子的寿命。这些电子经历俄歇复合过程，其中一个激子(电子-空穴对)非辐射复合，将其能量转移到另一个电子，并产生高度激发的电子。这些高度激发的电子拥有足够的能量参与与吸附在 NC 表面上的 PFOS 分子的化学反应。这些反应导致 PFOS 中的碳-氟 (CF) 键断裂，从而从 PFAS 分子中去除氟离子。

通过激光闪光光解测量确认了俄歇复合产生的水合电子的存在，该测量根据激光脉冲激发下的吸收光谱识别瞬态物质。脱氟效率取决于反应中使用的 NC 和 TEOA 的数量，并随着光照时间的增加而增加。对于 PFOS，光照 1 小时、2 小时和 8 小时后，脱氟效率分别为 55%、70-80% 和 100%。使用这种方法，研究人员还成功地在光照 24 小时后实现了氟聚合物 Nafion 81% 的脱氟率。Nafion 广泛用作电解和电池中的离子交换膜。

氟是许多行业的关键成分，从制药到清洁能源技术。通过从废弃 PFAS 中回收氟，我们可以减少对氟生产的依赖，并建立更可持续的回收工艺。“这项技术将有助于开发氟元素的回收技术，这些元素用于各个行业并支持我们繁荣的社会，”小林教授总结道。