立命馆大学研究人员的一项新研究提出了一种利用可见光在室温下对全氟辛烷磺酸（PFAS）进行脱氟处理的方法，可在 8 小时内将这些有害化学物质完全分解为氟离子，从而实现工业用氟的可持续回收利用。
全氟烷基物质（PFASs）通常被称为"永远的化学品"，对环境和公众健康的危害日益严重。全氟烷基磺酸盐和相关的全氟聚合物（PFs）最初是在 1938 年为聚四氟乙烯（Teflon）而开发的，由于其卓越的稳定性和耐热性及耐水性，已被广泛使用。这些特性使它们成为炊具、服装和消防泡沫等众多产品中不可或缺的材料。然而，这种稳定性已成为一个重大问题。
全氟辛烷磺酸在环境中不易分解，导致它们在水、土壤甚至人体中积累，已知会致癌和扰乱荷尔蒙分泌。如今，在饮用水供应、食物甚至南极洲的土壤中都能发现这些化学物质。尽管有计划逐步淘汰全氟辛烷磺酸的生产，但由于它们只有在超过 400 °C 的温度下才能分解，因此对它们进行处理仍然具有挑战性。因此，一定数量的含有全氟辛烷磺酸和全氟醚的产品最终被填埋，可能会造成未来的污染风险。
现在，立命馆大学研究人员提出的室温脱氟法可能会彻底改变全氟辛烷磺酸的处理方法。他们的研究发表在《Angewandte Chemie International Edition》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全氟辛烷磺酸和其他含氟聚合物（FPs）分解成氟离子。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（PFOS）100% 的脱氟。
该研究的主要作者小林洋一教授说："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回收社会做出重大贡献。"
通过将可见 LED 光照射到半导体纳米晶体上，可在环境条件下将全氟烷基物质和含氟聚合物高效分解为氟离子。分解是由光诱导配体位移和奥杰尔诱导电子注入的合作机制驱动的，利用的是水合电子和更高的激发态。资料来源：日本立命馆大学小林洋一教授
所提出的方法是在含有全氟辛烷磺酸（PFAS）、多溴联苯（FPs）和三乙醇胺（TEOA）的溶液中，将可见 LED 光照射到硫化镉（CdS）纳米晶体和掺铜 CdS（Cu-CdS）纳米晶体上，这些纳米晶体的表面配体是巯基丙酸（MPA）。研究人员发现，照射这些半导体纳米晶体可产生具有高还原电位的电子，从而分解 PFAS 分子中的强碳氟键。
为了进行光催化反应，研究人员在 1.0 毫升水中加入了 0.8 毫克 CdS 纳米晶体 (NC)、0.65 毫克全氟辛烷磺酸和 20 毫克 TEOA。然后，他们将溶液置于 405 纳米 LED 灯光下，以启动光催化反应。这种光激发纳米粒子，产生电子-空穴对，促进 MPA 配体从纳米晶体表面移除，为全氟辛烷磺酸分子吸附到 NC 表面创造空间。
为了防止光激发电子与空穴重新结合，需要添加 TEOA 来捕获空穴，延长可用于分解全氟辛烷磺酸的活性电子的寿命。这些电子会发生奥杰尔重组过程，其中一个激子（电子-空穴对）会发生非辐射性重组，将其能量转移到另一个电子上，并产生高激发电子。这些高激发电子具有足够的能量，可以与吸附在 NC 表面的全氟辛烷磺酸分子发生化学反应。这些反应导致全氟辛烷磺酸中的碳-氟 (C-F) 键断裂，从而将氟离子从全氟辛烷磺酸分子中去除。
激光闪烁光解测量证实了奥杰尔重组产生的水合电子的存在，该测量根据激光脉冲激发时的吸收光谱确定了瞬态物种。脱氟效率取决于反应中使用的 NCs 和 TEOA 的数量，并随着光照射时间的延长而提高。就全氟辛烷磺酸而言，光照射 1 小时、2 小时和 8 小时的脱氟效率分别为 55%、70-80% 和 100%。利用这种方法，研究人员还成功地使含氟聚合物 Nafion 在光照 24 小时后的脱氟率达到 81%。Nafion 广泛用作电解和电池中的离子交换膜。
从制药到清洁能源技术，氟是许多行业的重要组成部分。通过从废弃的全氟辛烷磺酸中回收氟，我们可以减少对氟生产的依赖，并建立一个更具可持续性的回收流程。小林教授总结说："这项技术将促进氟元素回收技术的发展，氟元素用于各行各业，支撑着我们繁荣的社会。"
编译自/ScitechDaily