苏黎世联邦理工学院的研究人员开发出一种新方法，用于分解全氟辛烷磺酸（PFOS）——全氟和多氟烷基化合物（PFAS）中一种危险的子类别。在纳米颗粒和超声波的辅助下，压电催化未来有望成为现有处理工艺的有效替代方案。

简讯

n苏黎世联邦理工学院的研究人员首次利用一种名为“压电催化”的技术，借助纳米颗粒和超声波，分解水中有害的全氟辛烷磺酸化学物质。

n该方法在实验室中取得了令人鼓舞的成果，测试表明它能降解90.5%的全氟辛烷磺酸。

n尽管在实验室中取得了成功，但如何扩大该方法的规模以用于实际应用，仍是一项挑战。

消防泡沫、不粘锅、防水纺织品和杀虫剂有什么共同之处？它们都含有全氟和多氟烷基化合物（PFAS），这是一种无法自然分解的人造化学物质。因此，全氟和多氟烷基化合物如今正污染着土壤和水，在人类和动物体内也能检测到它们的踪迹，也就不足为奇了。其危害众所周知：这些“永久化学品”会损害肝脏、引发激素紊乱并致癌，这只是其部分危害。

苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统研究所的萨尔瓦多·帕内·比达尔教授团队的研究人员，开发出一种分解全氟辛烷磺酸（PFOS）的新方法，全氟辛烷磺酸是全氟和多氟烷基化合物的一个子类别。由于其毒性，全氟辛烷磺酸目前受到严格限制甚至被禁止使用 。“主要问题在于，这些分子由被氟原子包围的长碳链组成。碳氟键非常牢固，需要大量能量才能打破，”帕内·比达尔的博士生安德里亚·韦西亚纳说道。

利用超声波和纳米颗粒分解分子

为了分解全氟辛烷磺酸分子，从而在水中将其降解，研究人员首次采用了压电催化技术。“压电（Piezo）”指的是压电性，即在机械变形过程中产生的电荷，“催化（catalysis）”则意味着利用合适的物质加速化学反应。“我们开发出了具有压电性的纳米材料。肉眼看上去，这种材料有点像沙子，”韦西亚纳说。在超声波浴中，这些颗粒会带上电荷，并起到催化剂的作用。帕内·比达尔补充道：“正是这种电荷启动了整个反应链，将全氟辛烷磺酸分子逐块分解。这就是这些纳米颗粒被称为压电纳米颗粒的原因。”

图示描述了 PFAS 的常见来源以及相应的危害，以及说明了 PFOS 的压电催化降解的示意图。

为了测量样本中的全氟辛烷磺酸浓度，研究人员与食品生物化学实验室的分析专家萨米·布洛斯合作。通过使用质谱仪，研究人员证明90.5%的全氟辛烷磺酸分子被降解了。“不过，我们应该指出，我们使用的是每升4毫克的高浓度样本，”韦西亚纳说，“在自然界中，比如湖泊和河流里，全氟辛烷磺酸的浓度低于每升1微克。而且浓度越低，全氟辛烷磺酸降解所需的时间就越长。”目前正在开发的一些技术，会先对水进行浓缩，然后再破坏全氟辛烷磺酸。这在压电催化中也将是关键的一步，并且必须在诸如化工废水处理等特定应用中实施。

优于以往方法

在考虑现有的全氟和多氟烷基化合物降解方法时，这种新方法的潜力便凸显出来。“一种方法是热分解，但这需要超过1000摄氏度的高温，能耗极高，”韦西亚纳说。全氟和多氟烷基化合物也可以通过光催化来降解。这个过程与压电催化类似，但它是利用光来激活催化剂，而非机械能。这种方法的主要问题在于，实际应用中处理的对象是废水，而废水浑浊，光的穿透性较差。韦西亚纳提到了第三种方法：“还有吸附法，就是用一种类似海绵的物质吸收水中的污染物。但这只是把问题从一个地方转移到了另一个地方，现在又需要处理被全氟和多氟烷基化合物渗透的海绵。”

现有方法的这些缺点，是苏黎世联邦理工学院的研究人员寻求分解全氟和多氟烷基化合物新方法的原因之一。压电催化的优势在于，它可以利用不同的机械能来源。“如果在污水处理厂需要净化水，而水中已经存在湍流，或许就能利用这种能量来分解其中的全氟和多氟烷基化合物，”韦西亚纳说。

共同对抗全氟和多氟烷基化合物

遗憾的是，研究人员在实验室中用50毫升水样取得的成果，尚未应用到实际中。“我们的方法能否扩大规模，是最大的挑战之一，”帕内·比达尔说，“不过，我们成功证明了压电催化作为降解全氟辛烷磺酸的方法是可行的，并且比以往的方法更具优势。”此外，他们的方法不仅适用于全氟辛烷磺酸，还适用于其他任何全氟和多氟烷基化合物以及微污染物。

a）全氟辛烷磺酸在BTO纳米粒子和对照存在下压催化降解的时间过程。b）处理前后全氟辛烷磺酸的提取离子色谱图。c）去质子化全氟辛烷磺酸和全氟辛烷磺酸（后者检测为脱羧离子）的保留时间和准确质量。d）处理时间内的氟化物浓度。e）处理6小时后检测到的降解产物的提取离子色谱图，代表所描绘的相应羧酸物种。f）在BTO纳米粒子存在下，在US下PFOA产生（和随后分解）的时间过程，以及G）短链中间体PFHpA（C7）、PFHxA（C6）和PFPeA（C5）的时间过程。误差条表示平均值±SD，n=3。

一般来说，降解全氟和多氟烷基化合物的方法应在这些化学物质进入环境之前使用，例如在工业污水处理厂，或对收集的农业用水进行再利用处理时。“企业应采取一切可能的措施，确保排放到环境中的水尽可能清洁，”帕内·比达尔说。韦西亚纳补充道：“全氟和多氟烷基化合物是一个全球性问题，首先应通过政策变革和提高透明度来解决。媒体已经对全氟和多氟烷基化合物禁令以及更严格的法规进行了大量报道，这些法规旨在迫使行业在使用这些化学物质方面更加透明。”韦西亚纳说：“尽管如此，通过研究不断创新也很重要，以便尽可能减少和修复现有的全氟和多氟烷基化合物暴露问题。”

参考文献

Veciana A, Steiner S, Tang Q, Pustovalov V, Llacer-Wintle J, Wu J, Chen X, Manyiwa T, Ultra Jr. V, Garcia-Cirera B, Puigmartí-Luis J, Franco C, Janssen D, Nyström L, Boulos S, Pané S: Breaking the Perfluorooctane Sulfonate Chain: Piezocatalytic Decomposition of PFOS Using BaTiO3 Nanoparticles. Small Science 2400337. doi: 10.1002/smsc.202400337

来源：https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2024/09/new-methods-in-the-fight-against-forever-chemicals.html