Forscher verbessern Katalysator, der „für immer Chemikalien“ mit Sonnenlicht zerstört

Chemieingenieure der Rice University haben ihr Design für einen lichtbetriebenen Katalysator verbessert, der PFOA, einen der weltweit problematischsten „ewig chemischen“ Schadstoffe, schnell abbaut.

Michael Wong und seine Studenten machten 2020 die überraschende Entdeckung, dass Bornitrid, ein handelsübliches Pulver, das häufig in Kosmetika verwendet wird, 99 % der PFOA oder Perfluoroctansäure in Wasserproben innerhalb weniger Stunden zerstören kann, wenn es ultraviolettem Licht ausgesetzt wird Licht mit einer Wellenlänge von 254 Nanometern.

„Das war großartig, denn PFOA ist ein zunehmend problematischer Schadstoff, der wirklich schwer zu zerstören ist“, sagte Wong, korrespondierender Autor einer Studie über den neu gestalteten Katalysator in Zeitschrift für Verfahrenstechnik. „Aber es war auch weniger als ideal, weil das Bornitrid durch kurzwelliges UV aktiviert wurde und die Atmosphäre fast das gesamte kurzwellige UV aus dem Sonnenlicht herausfiltert. Wir wollten die Fähigkeit von Bornitrid, auf Energie zuzugreifen, so weit wie möglich vorantreiben von anderen Wellenlängen des Sonnenlichts.“

Langwelliges UV oder UV-A hat Wellenlängen im Bereich von etwa 315–400 Nanometern. Es verursacht Sonnenbräune und Sonnenbrand und ist reichlich vorhanden im Sonnenlicht, das die Erde erreicht. Bornitrid ist ein Halbleiter und wird nicht durch UV-A aktiviert. Titandioxid, ein häufiger Bestandteil von Sonnenschutzmitteln, ist ein Halbleiter, der durch UV-A aktiviert wird, und es wurde sogar gezeigt, dass es den Abbau von PFOA katalysiert, wenn auch sehr langsam, wenn es UV-A ausgesetzt wird.

Also beschlossen Wong und die Co-Hauptautoren der Studie, Bo Wang, Lijie Duan und Kimberly Heck, einen Verbundstoff aus Bornitrid und Titandioxid zu entwickeln, der die besten Eigenschaften der einzelnen Katalysatoren vereint. In ihrer neuen Studie zeigten sie, dass die UV-A-betriebenen Verbundstoffe PFOA etwa 15-mal schneller zerstören als einfache Titandioxid-Photokatalysatoren.

Durch die Analyse von Photostrom-Reaktionsmessungen und anderen Daten erfuhr Wongs Team, wie sein Halbleiterverbundstoff UV-A-Energie sammelte, um PFOA-Moleküle in Wasser auseinanderzubrechen. In Experimenten im Freien mit Plastikwasserflaschen unter natürlichem Sonnenlicht fanden sie heraus, dass die Bornitrid-Titandioxid-Verbundstoffe etwa 99 % der PFOA in entionisiertem Wasser in weniger als drei Stunden abbauen konnten. In Salzwasser dauerte dieser Vorgang etwa neun Stunden.

Immer mehr Beweise deuten darauf hin, dass PFOA für die menschliche Gesundheit schädlich ist. Einige US-Bundesstaaten haben Grenzwerte für die Kontamination von Trinkwasser mit PFOA festgelegt, und im März 2021 kündigte die Environmental Protection Agency Pläne an, Bundesstandards zu entwickeln.

Der wachsende regulatorische Druck, PFOA-Standards festzulegen, veranlasst Wasseraufbereitungsanlagen, nach neuen und kosteneffizienten Wegen zu suchen, um PFOA aus dem Wasser zu entfernen, sagte Wong.

PFOA ist eines der am weitesten verbreiteten PFAS (Perfluoralkyl- und Polyfluoralkylsubstanzen), eine Familie von Verbindungen, die im 20. Jahrhundert entwickelt wurde, um Beschichtungen für wasserdichte Kleidung, Lebensmittelverpackungen und andere Produkte herzustellen. PFAS werden für immer als Chemikalien bezeichnet, weil sie nicht leicht abgebaut werden und dazu neigen, in der Umwelt zu verbleiben. Wong sagte, sein Team bewerte, wie gut sein zusammengesetzter Photokatalysator beim Abbau anderer PFAS funktioniert.

Er sagte, die Bornitrid- und Verbundkatalysatortechnologien hätten bereits die Aufmerksamkeit mehrerer Industriepartner im Rice-based Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) auf sich gezogen, das von der National Science Foundation finanziert wird, um netzunabhängiges Wasser zu entwickeln Behandlungssysteme.