I ricercatori usano le batterie fallate per combattere le "sostanze chimiche per sempre"

"Se qualcuno si lamenta: 'Oh, questo composto si degrada in questo modo e porta a una batteria che non funziona bene', ci entusiasma", ha detto Amanchukwu. "Perché possiamo capovolgere la situazione per la degradazione dei PFAS".

In collaborazione con i ricercatori della Northwestern University, il team PME dell'UChicago ha trasformato le condizioni che purtroppo degradano i componenti delle batterie in una nuova e potente tecnica per degradare intenzionalmente gli inquinanti dell'acqua noti come sostanze per- e polifluoroalchiliche, o PFAS.

I risultati, pubblicati su Nature Chemistry, mostrano risultati notevoli nella scomposizione della molecola PFAS a catena lunga, l'acido perfluoroottanoico (PFOA), in fluoro mineralizzato senza formare catene molecolari corte che possono essere ancora più difficili da rimuovere dall'acqua. Questa nuova fonte di fluoro può essere utilizzata per creare composti privi di PFAS, trasformando gli inquinanti in preziosi prodotti commerciali.

"Otteniamo circa il 94% di defluorurazione e il 95% di degradazione. Ciò significa che rompiamo quasi tutti i legami carbonio-fluoro nei PFAS", ha dichiarato il primo autore Bidushi Sarkar, ricercatore post-dottorato UChicago PME. "Stiamo principalmente mineralizzando e spingendo la completa disgregazione dei PFAS invece di ridurli in frammenti più corti".

Il professore di ingegneria chimica dell'Università dell'Illinois Chicago Brian Chaplin, che non è stato coinvolto nella ricerca, l'ha elogiata come "un utile progresso concettuale per le future strategie di trattamento riduttivo dei PFAS".

"Questo lavoro è nuovo per l'uso ponderato dell'elettroriduzione mediata dal litio, invece delle più comuni vie ossidative, per ottenere un'elevata conversione del PFOA e una defluorurazione quasi completa in un sistema non acquoso senza generare sottoprodotti PFAS a catena più corta", ha detto Chaplin.

Mentre i ricercatori di tutto il mondo cercano di distruggere le tenaci molecole di PFAS attraverso i raggi UV, le alte temperature, i plasmi, i microbi affamati di plastica o altri mezzi, questo nuovo lavoro vede l'elettrochimica - la danza tra elettricità e legami molecolari - unirsi alla lotta.

"Il motivo per cui la gente ama l'elettrochimica è che è abbastanza modulare", ha detto Amanchukwu. "Posso avere un pannello solare con batterie e un reattore elettrochimico in loco, abbastanza piccolo da gestire qualsiasi flusso di rifiuti locali. Non è necessario un impianto di grandi dimensioni che operi ad alte temperature o pressioni, come avviene in alcuni dei sistemi che si sta cercando di costruire oggi".

Sostanze chimiche ostinate, una domanda ostinata

I PFAS sono una classe di migliaia di sostanze chimiche resistenti e durevoli, utilizzate in prodotti come schiume antincendio, impermeabili, padelle antiaderenti e persino nei camici da laboratorio indossati dal team durante la ricerca. Ma questa durabilità rende i PFAS così difficili da rimuovere dal suolo, dalla superficie o dall'acqua potabile che si sono guadagnati il soprannome di "sostanze chimiche per sempre".

"Tutte queste proprietà - resistenza al fuoco, all'acqua, all'olio - sono dovute ai forti legami carbonio-fluoro dei PFAS", ha detto Sarkar. "Queste proprietà che rendono i PFAS così utili sono anche quelle che li rendono così difficili da degradare".

Questa ricerca sui PFAS segna un nuovo terreno per il laboratorio Amanchukwu dell'UChicago PME, che si concentra sulla progettazione di elettroliti per le batterie e i reattori elettrocatalitici necessari per la transizione del pianeta dai combustibili fossili. Ma dopo le presentazioni alle conferenze e altre lezioni, Amanchukwu, Sarkar e i membri del loro team continuavano a ricevere domande su un altro problema ambientale.

Senza esagerare, quando tenevo delle conferenze, vi garantisco che alla fine una domanda che ricevevo era: "Professore, perché sta producendo più sostanze chimiche per sempre?"". Ha detto Amanchukwu.

Sebbene il laboratorio di Amanchukwu sia all'avanguardia nella produzione di elettroliti per batterie privi di PFAS, molti elettroliti contengono PFAS, attualmente in piccole quantità e non del tipo noto per causare cancro o altri problemi di salute. Tuttavia, piuttosto che liquidare la questione, il team ha ribaltato la questione: Se gli elettroliti a base di PFAS si degradano già nelle batterie, cosa possono imparare gli scienziati da questo?

La caccia al fallimento

"L'elettrochimica consiste semplicemente nel mettere gli elettrodi in un solvente", ha detto il professore di chimica della Northwestern University George Schatz, coautore del nuovo lavoro. "Se si hanno queste molecole disciolte in un solvente e poi si fa passare la corrente dagli elettrodi attraverso il solvente, Chibueze e il suo team hanno sviluppato uno schema che distrugge i PFAS".

Non è sufficiente eliminare l'acqua. La distruzione dei PFAS attraverso l'ossidazione, cioè la rimozione degli elettroni fino a rendere instabili i legami tra gli atomi, è difficile a causa delle proprietà chimiche del fluoro.

"Il fluoro è l'elemento più elettronegativo, quindi ama molto gli elettroni", ha detto Amanchukwu. "Questo rende difficile l'ossidazione dei composti fluorurati. È molto più facile ridurli".

Cercando di ridurre i composti - aggiungendo elettroni finché i legami non diventano instabili - si è invece continuato a ridurre l'acqua circostante, scomponendola in idrogeno e ossigeno. Lo studio di documenti che mostravano la degradazione involontaria dei PFAS in elettroliti per batterie privi di acqua ha portato a un nuovo piano.

"La nostra innovazione è stata quella di lavorare con elettroliti non acquosi che hanno un'elevata stabilità riduttiva, in modo che quando vi aggiungiamo un composto fluorurato, è il composto fluorurato che viene degradato in modo riduttivo", ha detto Amanchukwu. "Questa è stata la svolta che ha reso possibile tutto ciò".

Il trattamento degli elettrodi di rame con il litio comunemente presente nelle batterie ha perfezionato la nuova procedura. L'applicazione del successo ottenuto con il PFOA ad altri membri dell'enorme famiglia delle "sostanze chimiche per sempre" si è rivelata promettente per il lavoro futuro. Dei 33 composti PFAS testati, 22 hanno dimostrato quantità di degradazione superiori al 70%, con alcune degradazioni fino al 99%.

"La gente fa elettrochimica da molto tempo", ha detto Schatz. "Se fosse stato facile, sarebbe già stato scoperto".

Le scoperte sono il risultato di una collaborazione costruita attraverso il Centro Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS), un Energy Frontier Research Center sponsorizzato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e guidato dall'Argonne National Laboratory.

"L'intento è quello di far interagire tra loro scienziati che normalmente non interagiscono", ha dichiarato Schatz. "Questo è stato un risultato entusiasmante associato al Centro AMEWS".