Forscher nutzen defekte Batterien zur Bekämpfung von "ewigen Chemikalien"
Die Untersuchung der Abbauprozesse von Batteriekomponenten hat eine neue Methode zur Zerstörung von PFAS hervorgebracht
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Die Forscher im Labor von Assistenzprofessor Chibueze Amanchukwu an der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) haben drei Jahre lang nach Fehlern gesucht und die akademische Literatur nach Geschichten über Batteriepannen und abgebaute Elektrolyte durchforstet.
Amanchukwu und Sarkar hoffen, die Erfolge ihrer Technik auf eine größere Anzahl von Mitgliedern der riesigen "forever chemical"-Familie anwenden zu können.
UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / Jason Smith
"Wenn sich jemand beschwert: 'Oh, diese Verbindung baut sich auf diese Weise ab und führt zu einer schlecht zyklierenden Batterie', dann sind wir begeistert", so Amanchukwu. "Denn wir können es für den Abbau von PFAS umdrehen."
In Zusammenarbeit mit Forschern der Northwestern University verwandelte das PME-Team der UChicago die Bedingungen, unter denen Batteriekomponenten unglücklicherweise abgebaut werden, in eine neue, leistungsstarke Technik zum gezielten Abbau von Wasserschadstoffen, die als Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) bekannt sind.
Ihre Ergebnisse, die in Nature Chemistry veröffentlicht wurden, zeigen bemerkenswerte Ergebnisse beim Abbau des langkettigen PFAS-Moleküls Perfluoroctansäure (PFOA) in mineralisiertes Fluor, ohne kurze Molekülketten zu bilden, die noch schwieriger aus dem Wasser zu entfernen sind. Diese neue Fluorquelle kann zur Herstellung PFAS-freier Verbindungen verwendet werden, wodurch Schadstoffe in wertvolle kommerzielle Produkte umgewandelt werden.
"Wir erreichen eine Defluorierung von etwa 94 % und einen Abbau von 95 %. Das bedeutet, dass wir fast alle Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PFAS aufbrechen", sagte Erstautor Bidushi Sarkar, ein PME-Postdoktorand der UChicago. "Wir mineralisieren hauptsächlich und treiben den vollständigen Abbau von PFAS voran, anstatt sie nur in kürzere Fragmente zu zerhacken."
Brian Chaplin, Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Illinois Chicago, der nicht an der Forschung beteiligt war, lobte die Arbeit als "nützlichen konzeptionellen Fortschritt für künftige reduktive PFAS-Behandlungsstrategien".
"Diese Arbeit ist insofern neuartig, als sie eine durchdachte Lithium-vermittelte Elektroreduktion anstelle der üblichen oxidativen Wege einsetzt, um eine hohe PFOA-Umwandlung und eine nahezu vollständige Defluorierung in einem nichtwässrigen System zu erreichen, ohne dass kürzerkettige PFAS-Nebenprodukte entstehen", so Chaplin.
Während Forscher auf der ganzen Welt nach Wegen suchen, die hartnäckigen PFAS-Moleküle durch UV-Licht, hohe Temperaturen, Plasmen, plastikhungrige Mikroben oder andere Mittel zu zerstören, wird mit dieser neuen Arbeit die Elektrochemie - der Tanz zwischen Elektrizität und molekularen Bindungen - in den Kampf einbezogen.
"Der Grund, warum die Leute die Elektrochemie lieben, ist, dass sie ziemlich modular ist", sagte Amanchukwu. "Ich kann ein Solarpanel mit Batterien aufstellen und einen elektrochemischen Reaktor vor Ort haben, der klein genug ist, um mit allen lokalen Abfallströmen fertig zu werden. Man braucht keine große Anlage, die bei hohen Temperaturen oder hohem Druck arbeitet, wie es bei einigen der Systeme der Fall ist, die man heute zu bauen versucht."
Hartnäckige Chemikalien, eine hartnäckige Frage
PFAS sind eine Klasse von Tausenden von langlebigen, widerstandsfähigen Chemikalien, die in Produkten wie Feuerlöschschaum, Regenmänteln, Antihaft-Pfannen und sogar in den Laborkitteln, die das Team während der Forschung trug, verwendet werden. Diese Langlebigkeit macht es jedoch so schwierig, PFAS aus dem Grund-, Oberflächen- oder Trinkwasser zu entfernen, dass sie den Spitznamen "Chemikalien für die Ewigkeit" erhalten haben.
"All diese Eigenschaften - Feuerbeständigkeit, Wasserbeständigkeit, Ölbeständigkeit - sind auf die starken Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PFAS zurückzuführen", so Sarkar. "Diese Eigenschaften, die PFAS so nützlich machen, sind es auch, die sie so schwer abbaubar machen.
Mit dieser PFAS-Forschung betritt das Amanchukwu-Labor der UChicago PME Neuland, das sich auf die Entwicklung von Elektrolyten für Batterien und elektrokatalytische Reaktoren konzentriert, die benötigt werden, um den Planeten von fossilen Brennstoffen zu befreien. Doch nach Konferenzpräsentationen und anderen Vorträgen erhielten Amanchukwu, Sarkar und ihre Teammitglieder immer wieder Fragen zu einem anderen Umweltthema.
"Ohne Übertreibung, wenn ich Vorträge hielt, garantiere ich Ihnen, dass eine Frage, die ich am Ende bekam, lautete: 'Professor, warum stellen Sie immer mehr Chemikalien her? sagte Amanchukwu.
Obwohl das Amanchukwu-Labor Pionierarbeit bei PFAS-freien Batterieelektrolyten leistet, enthalten viele Elektrolyte PFAS, wenn auch derzeit nur in geringen Mengen und nicht in der Art, die bekanntermaßen Krebs oder andere Gesundheitsprobleme verursacht. Das Team hat die Frage jedoch nicht einfach abgetan, sondern sie umgedreht: Wenn Elektrolyte auf PFAS-Basis bereits in Batterien abgebaut werden, was können Wissenschaftler dann daraus lernen?
Die Jagd nach dem Versagen
"Die Elektrochemie besteht einfach darin, Elektroden in ein Lösungsmittel zu legen", so George Schatz, Chemieprofessor an der Northwestern University und Mitautor der neuen Arbeit. "Wenn man diese Moleküle in Lösungsmittel auflöst und dann Strom von den Elektroden durch das Lösungsmittel leitet, haben Chibueze und sein Team ein Verfahren entwickelt, bei dem die PFAS zerstört werden.
Es reicht nicht aus, nur Wasser zu zappen. Der Abbau von PFAS durch Oxidation - d. h. das Entfernen von Elektronen, bis die Bindungen zwischen den Atomen instabil werden - ist aufgrund der chemischen Eigenschaften von Fluor schwierig.
"Fluor ist das elektronegativste Element, es liebt also Elektronen", sagte Amanchukwu. "Das macht es schwierig, fluorierte Verbindungen zu oxidieren. Es ist viel einfacher, sie zu reduzieren."
Bei dem Versuch, die Verbindungen zu reduzieren - also Elektronen hinzuzufügen , bis die Bindungen instabil werden - wurde stattdessen das umgebende Wasser reduziert und in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Das Studium von Arbeiten, die zeigen, dass PFAS in wasserfreien Batterieelektrolyten ungewollt abgebaut werden, führte zu einem neuen Plan.
"Unsere Innovation bestand darin, mit nichtwässrigen Elektrolyten zu arbeiten, die eine hohe reduktive Stabilität aufweisen, so dass die fluorierte Verbindung reduktiv abgebaut wird, wenn wir ihr eine fluorierte Verbindung hinzufügen", so Amanchukwu. "Das war der Durchbruch, der dies möglich gemacht hat".
Durch die Behandlung von Kupferelektroden mit dem in Batterien üblichen Lithium wurde das neue Verfahren abgeschlossen. Die Anwendung des Erfolgs mit PFOA auf andere Mitglieder der riesigen Familie der "ewigen Chemikalien" erwies sich als vielversprechend für künftige Arbeiten. Von den 33 getesteten PFAS-Verbindungen wiesen 22 einen Abbau von über 70 % auf, einige sogar von bis zu 99 %.
"Elektrochemie wird schon seit langem betrieben", sagte Schatz. "Wenn es einfach wäre, hätte man es schon längst entdeckt".
Die Ergebnisse sind das Ergebnis einer Zusammenarbeit mit dem Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center, einem vom US-Energieministerium geförderten Energy Frontier Research Center unter der Leitung des Argonne National Laboratory.
"Das Ziel ist es, Wissenschaftler miteinander in Kontakt zu bringen, die normalerweise nicht miteinander arbeiten würden", so Schatz. "Das ist ein aufregendes Ergebnis des AMEWS-Zentrums."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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