Illustration som visar hur ett kompositmaterial som innehåller ark av bornitrid (gitter av blå och silverkulor) och nanopartiklar av titandioxid (grå sfärer) använder långvågig ultraviolett energi i solljus för att fotokatalysera nedbrytningen av PFOA till koldioxid, fluor och mineraler. Kredit:M.S. Wong/Rice University
Rice University kemiingenjörer har förbättrat sin design för en lättdriven katalysator som snabbt bryter ner PFOA, en av världens mest problematiska "för evigt kemiska" föroreningar.
Michael Wong och hans elever gjorde den överraskande upptäckten 2020 att bornitrid, ett kommersiellt tillgängligt pulver som vanligtvis används i kosmetika, kunde förstöra 99 % av PFOA, eller perfluoroktansyra, i vattenprover inom bara några timmar när det exponerades för ultraviolett ljus. ljus med en våglängd på 254 nanometer.
"Det var bra eftersom PFOA är en allt mer problematisk förorening som är väldigt svår att förstöra", säger Wong, motsvarande författare till en studie om den omdesignade katalysatorn i Chemical Engineering Journal . "Men det var också mindre än idealiskt eftersom bornitriden aktiverades av kortvågig UV, och atmosfären filtrerar bort nästan all kortvågig UV från solljus. Vi ville driva på så mycket som möjligt bornitrids förmåga att få tillgång till energi. från andra våglängder av solljus."
Långvågig UV, eller UV-A, har våglängder som sträcker sig från cirka 315-400 nanometer. Det är det som orsakar solbränna och solbränna, och det finns gott om solljus som når jorden. Bornitrid är en halvledare och den aktiveras inte av UV-A. Titandioxid, en vanlig ingrediens i solskyddsmedel, är en halvledare som aktiveras av UV-A, och den hade till och med visat sig katalysera nedbrytningen av PFOA, om än mycket långsamt, när den exponerades för UV-A.
Så Wong och studieförfattarna Bo Wang, Lijie Duan och Kimberly Heck bestämde sig för att skapa en sammansättning av bornitrid och titandioxid som gifte sig med de bästa egenskaperna hos de individuella katalysatorerna. I sin nya studie visade de att de UV-A-drivna kompositerna förstörde PFOA cirka 15 gånger snabbare än vanliga fotokatalysatorer av titandioxid.
Molekylstruktur av perfluoroktansyra, eller PFOA, en av världens mest utbredda "för evigt kemiska" föroreningar. Kredit:Rice University
Genom att analysera mätningar av fotoströmsvar och andra data, lärde Wongs team hur dess halvledarkomposit skördade UV-A-energi för att bryta isär PFOA-molekyler i vatten. I utomhusexperiment med vattenflaskor av plast under naturligt solljus fann de att bornitrid-titandioxidkompositer kunde bryta ner cirka 99% av PFOA i avjoniserat vatten på mindre än tre timmar. I saltvatten tog den processen ungefär nio timmar.
Allt fler bevis tyder på att PFOA är skadligt för människors hälsa. Vissa delstater i USA har satt gränser för PFOA-kontamination i dricksvatten, och i mars 2021 tillkännagav Environmental Protection Agency planer på att utveckla federala standarder.
Ett växande regeltryck för att sätta PFOA-standarder har fått vattenreningsverk att leta efter nya och kostnadseffektiva sätt att ta bort PFOA från vatten, sa Wong.
PFOA är en av de vanligaste PFAS (perfluoroalkyl- och polyfluoroalkylsubstanserna), en familj av föreningar som utvecklades på 1900-talet för att göra beläggningar för vattentäta kläder, livsmedelsförpackningar och andra produkter. PFAS har kallats för evigt kemikalier eftersom de inte bryts ned lätt och tenderar att stanna kvar i miljön. Wong sa att hans team utvärderar hur väl dess kompositfotokatalysator fungerar för att bryta ner andra PFAS.
Han sa att bornitrid- och kompositkatalysatorteknologierna redan har uppmärksammats från flera industriella partners i det risbaserade Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT), som finansieras av National Science Foundation för att utveckla off-grid vatten behandlingssystem. + Utforska vidare
