10.07.2020 - Rice University

Bornitrid zerstört PFAS-Chemikalien PFOA, GenX

Schadstoffzerstörende Eigenschaften überraschen Rice-Ingenieur: 'Es sollte eigentlich nicht funktionieren'.

Chemieingenieure der Rice University fanden einen effizienten Katalysator für die Zerstörung von PFAS-Chemikalien dort, wo sie es am wenigsten erwartet hatten.

"Es war die Kontrolle", sagte Rice-Professor Michael Wong und bezog sich dabei auf den Teil eines wissenschaftlichen Experiments, bei dem Forscher keine Überraschungen erwarten. Die Kontrollgruppe ist der Maßstab der experimentellen Wissenschaft, die Grundlinie, an der die Variablen gemessen werden.

"Wir haben dies noch nicht in vollem Umfang getestet, aber in unseren Labortests auf dem Labortisch konnten wir 99% des PFOA in vier Stunden loswerden", sagte Wong über Bornitrid, den lichtaktivierten Katalysator, auf den er und seine Studenten gestoßen sind und den sie über ein Jahr lang getestet haben.

In ihrer Studie, die in der Zeitschrift Environmental Science and Technology Letters der American Chemical Society verfügbar ist, wurde festgestellt, dass Bornitrid PFOA (Perfluoroctansäure) schneller zerstört als jeder zuvor gemeldete Photokatalysator. PFOA ist eine der am weitesten verbreiteten PFAS (Perfluoralkyl- und Polyfluoralkyl-Substanzen), eine Familie von mehr als 4.000 Verbindungen, die im 20. Jahrhundert entwickelt wurden, um Beschichtungen für wasserdichte Kleidung, Lebensmittelverpackungen, Antihaftpfannen und unzählige andere Anwendungen herzustellen. PFAS werden wegen ihrer Neigung, in der Umwelt zu verweilen, im Englischen als 'forever' Chemikalien bezeichnet, und Wissenschaftler haben sie im Blut praktisch aller Amerikaner, einschließlich Neugeborener, gefunden.

Katalysatoren sind Wongs Spezialität. Es sind Verbindungen, die chemische Reaktionen hervorrufen, ohne an diesen Reaktionen teilzunehmen oder verbraucht zu werden. Sein Labor hat Katalysatoren für die Zerstörung einer Reihe von Schadstoffen, darunter TCE und Nitrate, entwickelt, und er sagte, er habe sein Team vor etwa 18 Monaten beauftragt, neue Katalysatoren zu finden, um PFAS zu behandeln.

"Wir haben eine Menge Dinge ausprobiert", sagte Wong, Vorsitzende der Abteilung für chemische und biomolekulare Technik an der Rice's Brown School of Engineering. "Wir haben verschiedene Materialien ausprobiert, von denen ich dachte, dass sie funktionieren würden. Keines von ihnen funktionierte. Dieses sollte nicht funktionieren, aber es hat funktioniert."

Der Katalysator, Bornitridpulver oder BN, ist ein kommerziell erhältliches synthetisches Mineral, das in Make-up, Hautpflegeprodukten, Wärmeleitpasten zur Kühlung von Computerchips und anderen Verbraucher- und Industrieprodukten weit verbreitet ist.

Die Entdeckung begann mit Dutzenden von fehlgeschlagenen Experimenten mit wahrscheinlicheren PFAS-Katalysatoren. Wong sagte, er habe zwei Mitglieder seines Labors, die Gaststudentin Lijie Duan von der chinesischen Tsinghua-Universität und den Reis-Absolventen Bo Wang, gebeten, letzte Experimente mit einem Satz von Kandidatenverbindungen durchzuführen, bevor er zu anderen überging.

"In der Literatur gab es Hinweise darauf, dass eines davon ein Photokatalysator sein könnte, d.h. dass es durch Licht einer bestimmten Wellenlänge aktiviert werden würde", sagte Wong. "Wir verwenden Licht in unserer Gruppe nicht sehr oft, aber ich sagte: 'Lasst uns damit herumkritzeln'. Die Sonne ist kostenlose Energie. Lasst uns sehen, was wir mit Licht machen können."

Wie zuvor erzielte keine der Versuchsgruppen gute Leistungen, aber Duan bemerkte etwas Ungewöhnliches bei der Kontrolle von Bornitrid. Sie und Wang wiederholten die Experimente zahlreiche Male, um unerwartete Fehler, Probleme mit der Probenvorbereitung und andere Erklärungen für das seltsame Ergebnis auszuschließen. Sie sahen immer wieder dasselbe.

"Hier ist die Beobachtung", sagte Wong. "Sie nehmen eine Flasche mit Wasser, das etwas PFOA enthält, werfen Ihr BN-Pulver hinein und verschliessen es. Und das war's. Sie brauchen keinen Wasserstoff hinzuzufügen oder mit Sauerstoff zu spülen. Es ist nur die Luft, die wir atmen, das verunreinigte Wasser und das BN-Pulver. Man setzt sie ultraviolettem Licht aus, insbesondere UV-C-Licht mit einer Wellenlänge von 254 Nanometern, kommt in vier Stunden zurück, und 99% des PFOA haben sich in Fluorid, Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt.

Das Problem war das Licht. Die 254-Nanometer-Wellenlänge, die üblicherweise in keimtötenden Lampen verwendet wird, ist zu klein, um die Bandlücke in Bornitrid zu aktivieren. Das stimmte zwar zweifellos, aber die Experimente legten nahe, dass dies nicht der Fall sein konnte.

"Wenn man das Licht wegnimmt, erhält man keine Katalyse", sagte Wong. "Wenn Sie das BN-Pulver weglassen und nur das Licht verwenden, erhalten Sie keine Reaktion."

Bornitrid absorbierte also eindeutig das Licht und katalysierte eine Reaktion, die PFOA zerstörte, obwohl es für Bornitrid optisch unmöglich gewesen wäre, 254-Nanometer-UV-C-Licht zu absorbieren.

"Es sollte nicht funktionieren", sagte Wong. "Deshalb hat nie jemand daran gedacht, danach zu suchen, und deshalb hat es so lange gedauert, bis wir die Ergebnisse veröffentlicht haben. Wir brauchten eine Art Erklärung für diesen Widerspruch."

Wong sagte, er, Duan, Wang und Co-Autoren hätten in der Studie eine plausible Erklärung angeboten.

"Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass unser Material das 254-Nanometer-Licht absorbiert, und zwar aufgrund von atomaren Defekten in unserem Pulver", sagte er. "Die Defekte verändern die Bandlücke. Sie schrumpfen ihn so weit, dass das Pulver gerade genug Licht absorbiert, um die reaktiven oxidierenden Spezies zu erzeugen, die das PFOA zerkauen.

Wong sagte, dass mehr experimentelle Beweise erforderlich sein werden, um die Erklärung zu bestätigen. Angesichts der Ergebnisse mit PFOA fragte er sich jedoch, ob der Bornitrid-Katalysator auch bei anderen PFAS-Verbindungen funktionieren könnte.

"Also bat ich meine Studenten, noch eine Sache zu tun", sagte Wong. "Ich ließ sie PFOA in den Tests durch GenX ersetzen."

GenX ist auch eine 'ewige' Chemikalie. Als PFOA verboten wurde, war GenX eine der am häufigsten verwendeten Chemikalien, um sie zu ersetzen. Und es gibt immer mehr Beweise dafür, dass GenX ein ebenso großes Umweltproblem sein könnte wie sein Vorgänger.

"Es ist eine ähnliche Geschichte wie bei der PFOA", sagte Wong. "Sie finden GenX jetzt überall. Aber ein Unterschied zwischen den beiden ist, dass die Leute früher über einige Erfolge mit Katalysatoren für den Abbau von PFOA berichtet haben. Bei GenX war das nicht der Fall."

Wong und Kollegen fanden heraus, dass Bornitridpulver auch GenX zerstört. Die Ergebnisse waren nicht so gut wie bei PFOA: Bei zweistündiger Einwirkung von 254-Nanometer-Licht zerstörte BN etwa 20% des GenX in Wasserproben. Aber Wong sagte, das Team habe Ideen, wie man den Katalysator für GenX verbessern könne.

Er sagte, das Projekt habe bereits die Aufmerksamkeit mehrerer Industriepartner im reisbasierten Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) auf sich gezogen. NEWT ist ein interdisziplinäres technisches Forschungszentrum, das von der National Science Foundation finanziert wird, um netzunabhängige Wasseraufbereitungssysteme zu entwickeln, die sowohl Menschenleben schützen als auch eine nachhaltige wirtschaftliche Entwicklung unterstützen.

"Die Forschung hat Spass gemacht, eine echte Teamleistung", sagte Wong. "Wir haben Patente darauf angemeldet, und das Interesse von NEWT an weiteren Tests und der Entwicklung der Technologie ist ein großer Vertrauensbeweis".

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