Forscher im Labor von Assistenzprofessor Chibueze Amanchukwu an der Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) der Universität Chicago haben drei Jahre lang nach Fehlern gesucht und die wissenschaftliche Literatur nach Berichten über Batterieausfälle und degradierte Elektrolyte durchforstet. „Wenn sich jemand beschwert: ‚Oh, diese Verbindung degradiert auf diese Weise und führt zu einer schlecht zyklischen Batterie‘, dann sind wir begeistert“, sagte Amanchukwu. „Denn wir können das für den PFAS-Abbau umkehren.“
In Zusammenarbeit mit Forschern der Northwestern University verwandelte das Team der UChicago PME die Bedingungen, die leider zu einer Verschlechterung der Batteriekomponenten führen, in eine neue, leistungsstarke Technik zur gezielten Zersetzung der als Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) bekannten Wasserschadstoffe.
Gezielter PFAS‑Abbau durch elektrochemische Reduktion
Ihre Ergebnisse zeigen Ergebnisse bei der Aufspaltung des langkettigen PFAS-Moleküls Perfluoroctansäure (PFOA) in mineralisiertes Fluor, ohne dass dabei kurze Molekülketten entstehen, die noch schwieriger aus dem Wasser zu entfernen sind. Diese neue Fluorquelle kann zur Herstellung PFAS-freier Verbindungen genutzt werden, wodurch Schadstoffe in wertvolle kommerzielle Produkte umgewandelt werden.
„Wir erreichen eine Defluorierung von etwa 94 Prozent und einen Abbau von 95 Prozent. Das bedeutet, dass wir fast alle Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PFAS aufbrechen“, sagte die Erstautorin Bidushi Sarkar, Postdoktorandin am UChicago PME. „Wir mineralisieren hauptsächlich und treiben den vollständigen Abbau von PFAS voran, anstatt es nur in kürzere Fragmente zu zerlegen.“
Brian Chaplin, Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Illinois Chicago, der nicht an der Forschung beteiligt war, lobte sie als „nützlichen konzeptionellen Fortschritt für zukünftige reduktive PFAS-Behandlungsstrategien“. „Diese Arbeit ist neuartig, da sie anstelle der üblicheren oxidativen Verfahren die durch Lithium vermittelte Elektroreduktion einsetzt, um eine hohe PFOA-Umwandlung und eine nahezu vollständige Defluorierung in einem nichtwässrigen System zu erreichen, ohne dass dabei kürzerkettige PFAS-Nebenprodukte entstehen“, so Chaplin.
Während Forscher auf der ganzen Welt nach Möglichkeiten suchen, die hartnäckigen PFAS-Moleküle durch UV-Licht, hohe Temperaturen, Plasmen, kunststofffressende Mikroben oder andere Mittel zu zerstören, kommt in dieser neuen Arbeit die Elektrochemie – das Zusammenspiel von Elektrizität und molekularen Bindungen – zum Einsatz. „Der Grund, warum Menschen die Elektrochemie lieben, ist, dass sie sehr modular ist“, sagte Amanchukwu. „Ich kann ein Solarpanel mit Batterien haben, und ich kann einen elektrochemischen Reaktor vor Ort haben, der klein genug ist, um alle lokalen Abfallströme zu verarbeiten. Man braucht keine große Anlage, die bei hohen Temperaturen oder hohem Druck arbeitet, wie es bei einigen der Systeme der Fall ist, die heute gebaut werden.“
Hartnäckige Chemikalien, eine hartnäckige Frage
PFAS sind eine Klasse von Tausenden von langlebigen, widerstandsfähigen Chemikalien, die in Produkten wie Feuerlöschschäumen, Regenmänteln, Antihaftpfannen und sogar den Laborkitteln verwendet werden, die das Team während der Forschung trug. Aber gerade diese Langlebigkeit macht es so schwierig, PFAS aus dem Boden, Oberflächenwasser oder Trinkwasser zu entfernen, dass sie den Spitznamen „ewige Chemikalien” erhalten haben.
„All diese Eigenschaften – Feuerbeständigkeit, Wasserbeständigkeit, Ölbeständigkeit – sind auf die starken Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PFAS zurückzuführen”, sagte Sarkar. „Diese Eigenschaften, die PFAS so nützlich machen, sind auch der Grund dafür, dass sie so schwer abbaubar sind.”
Diese PFAS-Forschung ist Neuland für das Amanchukwu-Labor der UChicago PME, das sich auf die Entwicklung von Elektrolyten für Batterien und elektrokatalytische Reaktoren konzentriert, die für die Abkehr der Welt von fossilen Brennstoffen benötigt werden. Nach Konferenzvorträgen und anderen Vorträgen wurden Amanchukwu, Sarkar und ihre Teammitglieder jedoch immer wieder mit Fragen zu einem anderen Umweltproblem konfrontiert. „Ohne Übertreibung kann ich Ihnen garantieren, dass ich am Ende meiner Vorträge immer die Frage gestellt bekam: ‚Professor, warum stellen Sie noch mehr Forever Chemicals her?‘“, sagte Amanchukwu.
Während das Amanchukwu-Labor Pionierarbeit bei der Entwicklung PFAS-freier Batterieelektrolyte leistet, enthalten viele Elektrolyte PFAS, derzeit in geringen Mengen und nicht in der Form, die bekanntermaßen Krebs oder andere Gesundheitsprobleme verursacht. Anstatt die Frage abzutun, drehte das Team sie jedoch um: Wenn sich PFAS-basierte Elektrolyte bereits in Batterien zersetzen, was können Wissenschaftler daraus lernen?
Die Jagd nach dem Scheitern
„Die Elektrochemie besteht einfach darin, Elektroden in ein Lösungsmittel einzutauchen“, erklärte George Schatz, Chemieprofessor an der Northwestern University und Mitautor der neuen Studie. „Wenn man diese Moleküle in Lösungsmitteln auflöst und dann Strom von den Elektroden durch das Lösungsmittel leitet, zerstört dies laut einem von Chibueze und seinem Team entwickelten Verfahren die PFAS.“
Es reicht nicht aus, nur Wasser zu zappen. Die Zersetzung von PFAS durch Oxidation – 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 die Oxidation fluorierter Verbindungen schwierig. Es ist viel einfacher, sie zu reduzieren.“
Der Versuch, die Verbindungen zu reduzieren – indem Elektronen hinzugefügt wurden, bis die Bindungen instabil wurden – führte stattdessen zu einer Reduktion des umgebenden Wassers, wodurch das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wurde. Die Untersuchung von Artikeln, die zeigten, dass PFAS in wasserfreien Batterieelektrolyten unbeabsichtigt abgebaut wurden, führte zu einem neuen Plan.
„Unsere Innovation bestand darin, mit nichtwässrigen Elektrolyten zu arbeiten, die eine hohe Reduktionsstabilität aufweisen, sodass bei Zugabe einer fluorierten Verbindung diese fluorierte Verbindung reduktiv abgebaut wird“, erklärte Amanchukwu. „Das war der Durchbruch, der dies möglich gemacht hat.“
Die Behandlung von Kupferelektroden mit dem in Batterien häufig vorkommenden Lithium vollendete das neue Verfahren. Die Übertragung ihres Erfolgs mit PFOA auf andere Mitglieder der riesigen Familie der „ewigen Chemikalien“ erwies sich als vielversprechend für die zukünftige Arbeit. Von den 33 getesteten PFAS-Verbindungen wiesen 22 einen Abbau von über 70 Prozent auf, einige sogar bis zu 99 Prozent. „Die Menschen beschäftigen sich schon seit langem mit Elektrochemie“, sagte Schatz. „Wenn es einfach wäre, wäre es bereits entdeckt worden.“
