Chemische ingenieurs van Rice University hebben een efficiënte katalysator gevonden om PFAS-chemicaliën voor altijd te vernietigen waar ze het het minst verwachtten.

"Het was de controle, " zei Rice Professor Michael Wong, verwijzend naar het deel van een wetenschappelijk experiment waar onderzoekers geen verrassingen verwachten. De controlegroep is de maatstaf voor experimentele wetenschap, de basislijn waarmee variabelen worden gemeten.

"We hebben dit nog niet op volledige schaal getest, maar in onze benchtop-tests in het laboratorium, we zouden in vier uur 99% van de PFOA kwijt kunnen raken, " Wong zei over boornitride, de door licht geactiveerde katalysator die hij en zijn studenten tegenkwamen en die meer dan een jaar hebben getest.

hun studie, die online beschikbaar is in het tijdschrift American Chemical Society Brieven over milieuwetenschap en technologie , ontdekte dat boornitride PFOA (perfluoroctaanzuur) sneller vernietigde dan enige eerder gerapporteerde fotokatalysator. PFOA is een van de meest voorkomende PFAS (perfluoralkyl- en polyfluoralkylstoffen), een gezin van meer dan 4, 000 verbindingen ontwikkeld in de 20e eeuw om coatings te maken voor waterdichte kleding, de verpakking van levensmiddelen, anti-aanbakpannen en talloze andere toepassingen. PFAS worden 'forever chemicals' genoemd vanwege hun neiging om in het milieu te blijven hangen, en wetenschappers hebben ze gevonden in het bloed van vrijwel alle Amerikanen, inclusief pasgeborenen.

Katalysatoren zijn de specialiteit van Wong. Het zijn verbindingen die chemische reacties teweegbrengen zonder deel te nemen of te worden geconsumeerd in die reacties. Zijn lab heeft katalysatoren gemaakt voor het vernietigen van een aantal verontreinigende stoffen, inclusief TCE en nitraten, en hij zei dat hij zijn team ongeveer 18 maanden geleden had belast met het vinden van nieuwe katalysatoren om PFAS aan te pakken.

"We hebben veel geprobeerd, " zei Wong, voorzitter van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de Brown School of Engineering van Rice. "We hebben verschillende materialen geprobeerd waarvan ik dacht dat ze zouden werken. Geen van hen deed het. Dit zou niet werken, en dat deed het."

De katalysator, boornitride poeder, of BN, is een commercieel verkrijgbaar synthetisch mineraal dat veel wordt gebruikt in make-up, huidverzorgingsproducten, koelpasta's die computerchips en andere consumenten- en industriële producten koelen.

De ontdekking begon met tientallen mislukte experimenten op meer waarschijnlijke PFAS-katalysatoren. Wong zei dat hij twee leden van zijn lab vroeg, een bezoek aan afgestudeerde student Lijie Duan van de Chinese Tsinghua University en Rice afgestudeerde student Bo Wang, om laatste experimenten uit te voeren met één set kandidaat-verbindingen voordat je verder gaat met andere.

"Er was literatuur die suggereerde dat een van hen een fotokatalysator zou kunnen zijn, wat betekent dat het zou worden geactiveerd door licht van een bepaalde golflengte, " zei Wong. "We gebruiken niet vaak licht in onze groep, maar ik zei, 'Laten we er maar mee gaan krabbelen.' De zon is gratis energie. Laten we eens kijken wat we met licht kunnen doen."

Zoals eerder, geen van de experimentele groepen presteerde goed, maar Duan merkte iets ongewoons op met de boornitridecontrole. Zij en Wang herhaalden de experimenten vele malen om onverwachte fouten uit te sluiten. problemen met monstervoorbereiding en andere verklaringen voor het vreemde resultaat. Ze zagen steeds hetzelfde.

"Hier is de observatie, "zei Wong. "Je neemt een fles water met wat PFOA, je gooit je BN-poeder erin, en je sluit het af. Dat is het. U hoeft geen waterstof toe te voegen of door te spoelen met zuurstof. Het is gewoon de lucht die we inademen, het verontreinigde water en het BN-poeder. Dat stel je bloot aan ultraviolet licht, specifiek voor UV-C licht met een golflengte van 254 nanometer, kom over vier uur terug, en 99% van de PFOA is omgezet in fluoride, kooldioxide en waterstof."

Het probleem was het licht. De golflengte van 254 nanometer, die vaak wordt gebruikt in kiemdodende lampen, is te klein om de bandgap in boornitride te activeren. Hoewel dat ongetwijfeld waar was, de experimenten suggereerden dat het niet kon zijn.

"Als je het licht weghaalt, je krijgt geen katalyse, " zei Wong. "Als je het BN-poeder weglaat en alleen het licht gebruikt, krijg je geen reactie."

Dus boornitride absorbeerde duidelijk het licht en katalyseerde een reactie die PFOA vernietigde, ondanks dat feit dat het voor boornitride optisch onmogelijk had moeten zijn om 254 nanometer UV-C-licht te absorberen.

"Het hoort niet te werken, "zei Wong. "Daarom heeft niemand er ooit aan gedacht hiernaar te zoeken, en daarom duurde het zo lang voordat we de resultaten publiceerden. We hadden een soort verklaring nodig voor deze tegenstrijdigheid."

Wong zei dat hij, Duan, Wang en co-auteurs boden een plausibele verklaring in het onderzoek.

"We kwamen tot de conclusie dat ons materiaal het licht van 254 nanometer absorbeert, en het komt door atomaire defecten in ons poeder, " zei hij. "De gebreken veranderen de bandgap. Ze krimpen het genoeg zodat het poeder net genoeg licht absorbeert om de reactieve oxiderende soorten te creëren die de PFOA opeten."

Wong zei dat er meer experimenteel bewijs nodig zal zijn om de verklaring te bevestigen. Maar in het licht van de resultaten met PFOA, hij vroeg zich af of de boornitride-katalysator ook zou kunnen werken op andere PFAS-verbindingen.

"Dus ik vroeg mijn studenten om nog één ding te doen, " zei Wong. "Ik heb ze PFOA in de tests laten vervangen door GenX."

GenX is ook een forever chemical. Toen PFOA werd verboden, GenX was een van de meest gebruikte chemicaliën om het te vervangen. En een groeiend aantal bewijzen suggereert dat GenX net zo'n groot milieuprobleem zou kunnen zijn als zijn voorganger.

"Het is een soortgelijk verhaal als PFOA, ' zei Wong. 'Ze vinden GenX nu overal. Maar een verschil tussen de twee is dat mensen eerder enig succes hebben gemeld met katalysatoren voor het afbreken van PFOA. Dat hebben ze niet voor GenX."

Wong en collega's ontdekten dat boornitridepoeder ook GenX vernietigt. De resultaten waren niet zo goed als met PFOA:met twee uur blootstelling aan 254-nanometer licht, BN vernietigde ongeveer 20% van de GenX in watermonsters. Maar Wong zei dat het team ideeën heeft over hoe de katalysator voor GenX kan worden verbeterd.

Hij zei dat het project al de aandacht heeft getrokken van verschillende industriële partners in het Rice-based Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT). NEWT is een interdisciplinair technisch onderzoekscentrum dat wordt gefinancierd door de National Science Foundation om off-grid waterbehandelingssystemen te ontwikkelen die zowel mensenlevens beschermen als duurzame economische ontwikkeling ondersteunen.

"Het onderzoek was leuk, een echte teamprestatie, " zei Wong. "We hebben hier patenten op aangevraagd, en de interesse van NEWT in het verder testen en ontwikkelen van de technologie is een groot blijk van vertrouwen."