Des chercheurs utilisent des piles défectueuses pour lutter contre les "produits chimiques éternels"

"Si quelqu'un se plaint que tel ou tel composé se dégrade de telle ou telle manière et entraîne un mauvais fonctionnement de la batterie, nous nous en réjouissons", explique M. Amanchukwu. "Car nous pouvons inverser la situation pour la dégradation des PFAS.

En collaboration avec des chercheurs de l'université Northwestern, l'équipe PME de l'UChicago a transformé les conditions qui dégradent malheureusement les composants des batteries en une nouvelle technique puissante pour dégrader intentionnellement les polluants de l'eau connus sous le nom de substances per- et polyfluoroalkyles, ou PFAS.

Leurs résultats, publiés dans Nature Chemistry, montrent des résultats remarquables dans la décomposition de la molécule PFAS à longue chaîne, l'acide perfluorooctanoïque (PFOA), en fluor minéralisé sans former de courtes chaînes moléculaires qui peuvent être encore plus difficiles à éliminer de l'eau. Cette nouvelle source de fluor peut être utilisée pour créer des composés sans PFAS, transformant ainsi les polluants en produits commerciaux de valeur.

"Nous obtenons environ 94 % de défluoration et 95 % de dégradation. Cela signifie que nous brisons presque toutes les liaisons carbone-fluor dans les PFAS", explique le premier auteur, Bidushi Sarkar, chercheur postdoctoral à l'UChicago PME. "Nous minéralisons et poussons à la décomposition complète des PFAS au lieu de les découper en fragments plus courts".

Brian Chaplin, professeur de génie chimique à l'université de l'Illinois Chicago, qui n'a pas participé à la recherche, a salué "une avancée conceptuelle utile pour les futures stratégies de traitement réducteur des PFAS".

"Ce travail est nouveau par son utilisation réfléchie de l'électro-réduction médiée par le lithium, au lieu des voies oxydatives plus courantes, pour obtenir une conversion élevée de l'APFO et une défluoration presque complète dans un système non aqueux sans générer de sous-produits PFAS à chaîne plus courte", a déclaré M. Chaplin.

Alors que les chercheurs du monde entier élaborent des moyens de détruire les molécules tenaces de PFAS par la lumière UV, les températures élevées, les plasmas, les microbes assoiffés de plastique ou d'autres moyens, ce nouveau travail voit l'électrochimie - la danse entre l'électricité et les liaisons moléculaires - se joindre à la lutte.

"La raison pour laquelle les gens aiment l'électrochimie, c'est qu'elle est très modulaire", explique M. Amanchukwu. "Je peux avoir un panneau solaire avec des batteries, et je peux avoir un réacteur électrochimique sur place qui est suffisamment petit pour traiter tous les flux de déchets locaux. Il n'est pas nécessaire d'avoir une grande usine fonctionnant à haute température ou à haute pression, comme c'est le cas pour certains des systèmes que les gens essaient de construire aujourd'hui.

Des produits chimiques tenaces, une question tenace

Les PFAS constituent une classe de milliers de produits chimiques durables et résistants utilisés dans des produits tels que les mousses anti-incendie, les imperméables, les poêles antiadhésives et même les blouses de laboratoire que l'équipe a portées au cours de ses recherches. Mais cette durabilité rend les PFAS si difficiles à éliminer des eaux souterraines, de surface ou potables qu'ils ont gagné le surnom de "produits chimiques éternels".

"Toutes ces propriétés - résistance au feu, à l'eau, à l'huile - sont dues aux fortes liaisons carbone-fluor des PFAS", explique M. Sarkar. "Ces propriétés qui rendent les PFAS si utiles sont aussi celles qui les rendent si difficiles à dégrader.

Ces recherches sur les PFAS ouvrent de nouvelles perspectives pour le laboratoire Amanchukwu de l'UChicago PME, qui se concentre sur la conception d'électrolytes pour les batteries et les réacteurs électrocatalytiques nécessaires à la transition de la planète vers l'abandon des combustibles fossiles. Mais après des conférences et d'autres exposés, Amanchukwu, Sarkar et les membres de leur équipe ont continué à recevoir des questions sur une autre préoccupation environnementale.

"Sans exagérer, lorsque je donnais des conférences, je vous garantis que l'une des questions que l'on me posait à la fin était la suivante : "Professeur, pourquoi fabriquez-vous plus de produits chimiques pour l'éternité ? a déclaré M. Amanchukwu.

Bien que le laboratoire d'Amanchukwu soit à l'origine d'électrolytes de batterie exempts de PFAS, de nombreux électrolytes contiennent des PFAS, actuellement en petites quantités et pas du type connu pour causer des cancers ou d'autres problèmes de santé. Plutôt que d'écarter la question, l'équipe l'a retournée : Si les électrolytes à base de PFAS se dégradent déjà dans les piles, que peuvent en tirer les scientifiques ?

La chasse à l'échec

"L'électrochimie consiste simplement à placer des électrodes dans un solvant", explique George Schatz, professeur de chimie à l'université Northwestern et coauteur des nouveaux travaux. "Si ces molécules sont dissoutes dans des solvants et que l'on fait passer le courant des électrodes à travers le solvant, Chibueze et son équipe ont mis au point un système qui détruit les PFAS.

Il ne suffit pas de zapper l'eau. Il est difficile de décomposer les PFAS en les oxydant - en retirant des électrons jusqu'à ce que les liaisons entre les atomes deviennent instables - en raison des propriétés chimiques du fluor.

"Le fluor est l'élément le plus électronégatif, il aime donc beaucoup les électrons", explique M. Amanchukwu. "Il est donc difficile d'oxyder les composés fluorés. Il est beaucoup plus facile de les réduire.

En essayant de réduire les composés - en ajoutant des électrons jusqu'à ce que les liaisons deviennent instables - on a continué à réduire l'eau environnante, en la décomposant en hydrogène et en oxygène. L'étude d'articles montrant que les PFAS se dégradent involontairement dans les électrolytes de batteries sans eau a conduit à un nouveau plan.

"Notre innovation a consisté à travailler avec des électrolytes non aqueux présentant une stabilité réductrice élevée, de sorte que lorsque nous y ajoutons un composé fluoré, c'est ce dernier qui est dégradé par réduction", a expliqué M. Amanchukwu. "C'est cette avancée qui a rendu ce projet possible.

Le traitement des électrodes de cuivre avec le lithium que l'on trouve couramment dans les batteries a permis de finaliser la nouvelle procédure. L'application de leur succès avec l'APFO à d'autres membres de l'immense famille des "produits chimiques à vie" s'est avérée prometteuse pour les travaux futurs. Sur les 33 composés PFAS testés, 22 ont montré des taux de dégradation supérieurs à 70 %, certains atteignant même 99 %.

"Les gens font de l'électrochimie depuis longtemps", a déclaré M. Schatz. "Si c'était facile, on l'aurait déjà découvert.

Ces résultats sont le fruit d'une collaboration établie dans le cadre du centre Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS), un centre de recherche sur les frontières de l'énergie parrainé par le ministère américain de l'énergie et dirigé par le laboratoire national d'Argonne.

"L'objectif est d'amener les scientifiques à interagir entre eux alors qu'ils ne le feraient pas normalement", a déclaré M. Schatz. "Il s'agit là d'un résultat passionnant associé au centre AMEWS.