Neuer Ansatz zum Abbau von PFAS und anderen Chemikalien
Forscher stellen ein effektives photokatalytisches System auf Basis von LED-Licht vor
Forscher der Colorado State University haben einen neuen Ansatz für den Abbau von PFAS gefunden - einer Gruppe von Chemikalien, die vom Menschen hergestellt wurden und häufig wegen ihrer wasserabweisenden Eigenschaften verwendet werden, aber bei langfristiger Exposition Gesundheitsrisiken bergen können.
Ein Forscher, der im Miyake-Labor an der Colorado State University arbeitet.
Colorado State University College of Natural Sciences/John Cline
Die Kohlenstoff-Fluor-Bindung in PFAS-Verbindungen (Perfluoralkyl- und Polyfluoralkyl-Stoffe) ist besonders schwer aufzuspalten. Diese Beständigkeit hat dazu geführt, dass diese Chemikalien in der Medizin, der Industrie und im Handel weit verbreitet sind. Diese inhärente Stabilität hat jedoch auch dazu geführt, dass sie schwer zu entsorgen sind und im Laufe der Zeit weltweit in Wasser, Luft und Boden gelangt sind, so die Environmental Protection Agency. Der EPA zufolge kann die Exposition gegenüber diesen verbleibenden Verbindungen zu Gesundheitsproblemen, einschließlich Krebs oder Fortpflanzungsproblemen, führen.
In einer in Nature veröffentlichten Arbeit stellen CSU-Forscher ein effektives photokatalytisches System auf der Basis von LED-Licht vor, das bei Raumtemperatur eingesetzt werden kann, um diese wichtigen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen aufzubrechen. Das System stellt eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen chemischen Herstellungsverfahren dar, die in der Regel hohe Temperaturen erfordern, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
Die Arbeit an der CSU wurde von Professor Garret Miyake aus dem Fachbereich Chemie geleitet. Sein Team arbeitete gemeinsam mit dem CSU-Chemieprofessor Robert Paton und Professor Niels Damrauer von der University of Colorado Boulder an der Studie.
Miyake sagte, dass die sich ergänzenden Fachkenntnisse dieser Teams zu diesem wichtigen interdisziplinären Forschungsergebnis führten.
"Unser Ansatz ist ein grundlegender Fortschritt in der organischen Synthese, der die Aktivierung dieser schwierigen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in einer Vielzahl von Situationen ermöglicht", sagte er. "Unsere Methode ist nachhaltiger und effizienter und kann neben den offensichtlichen Anwendungen im Zusammenhang mit PFAS auch für hartnäckige Verbindungen in Kunststoffen eingesetzt werden."
Die meisten Menschen auf der Welt sind PFAS ausgesetzt, indem sie Materialien, die sie enthalten, berühren oder essen. Eine häufige Expositionsquelle ist das Trinkwasser, aber die Verbindungen finden sich auch in antihaftbeschichteten Konsumgütern, Lebensmittelverpackungen und gängigen Herstellungsverfahren. Von der EPA geleitete Forschungsarbeiten zeigen, dass selbst eine geringe Belastung zu Entwicklungsstörungen wie niedrigem Geburtsgewicht oder verminderter Immunreaktion führen kann, neben vielen anderen gesundheitlichen Problemen.
Mihai Popescu, ein Postdoktorand, hat als Autor an der Arbeit mitgewirkt und mit Hilfe der Computerchemie zum mechanistischen Verständnis der Forschung beigetragen. Er sagte, die nächste Herausforderung bestehe darin, die Technologie für die Anwendung in der Praxis in vielen Fällen vorzubereiten.
"Wir müssen diese Technologie praktikabler machen, damit sie im Wasser oder im Boden eingesetzt werden kann - also dort, wo PFAS vorkommen", so Popescu. "Wir brauchen die Chemie, die wir hier vorstellen, um unter diesen Bedingungen nützlich zu sein, und hier liegt noch viel Arbeit vor uns."
Miyake ist derzeit Direktor des von der National Science Foundation finanzierten Zentrums für nachhaltige Photoredoxkatalyse (SuPRCat) auf dem Campus. Dieses Zentrum wurde 2023 mit dem Ziel gegründet, chemische Herstellungsprozesse zu entwickeln, die Lichtenergie nutzen und leicht verfügbare Materialien als Katalysatoren einsetzen.
Miyake wies darauf hin, dass ähnliche Forschungsprojekte wie das in der Studie beschriebene täglich in dem Zentrum durchgeführt werden. Postdoktorand Xin Liu - der die synthetische Entwicklung dieser Arbeit leitete und ebenfalls Mitglied von SuPRCat ist - sagte, dass die Arbeit viele Möglichkeiten bietet.
"Diese Arbeit befasst sich speziell mit Ewigkeitschemikalien, aber unser Ansatz in SuPRCat, LED-Lichter zu verwenden, bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, diese Reaktionen auf eine nachhaltigere und effizientere Weise zu erreichen", sagte Liu. "Von der Behandlung von Kunststoffen, die sich nicht schnell abbauen, bis hin zur Verbesserung des Herstellungsprozesses von benötigten Düngemitteln ist dies ein Schlüsselbereich und etwas, bei dem die CSU gut positioniert ist, um führend zu sein."
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