Os investigadores utilizam pilhas avariadas para combater os "químicos eternos"

Se alguém se queixa de que "este composto se degrada desta forma e conduz a uma bateria com ciclos fracos", ficamos entusiasmados com isso", disse Amanchukwu. "Porque podemos inverter a situação no que respeita à degradação dos PFAS".

Trabalhando com investigadores da Northwestern University, a equipa da UChicago PME transformou as condições que infelizmente degradam os componentes da bateria numa nova e poderosa técnica para degradar intencionalmente os poluentes da água conhecidos como substâncias per- e polifluoroalquílicas, ou PFAS.

Os seus resultados, publicados na revista Nature Chemistry, mostram resultados notáveis na decomposição da molécula PFAS de cadeia longa, o ácido perfluorooctanóico (PFOA), em flúor mineralizado, sem formar cadeias moleculares curtas que podem ser ainda mais difíceis de remover da água. Esta nova fonte de flúor pode ser utilizada para criar compostos sem PFAS, transformando poluentes em produtos comerciais valiosos.

"Conseguimos cerca de 94% de desfluoração e 95% de degradação. Isso significa que quebramos quase todas as ligações carbono-flúor no PFAS", disse o primeiro autor Bidushi Sarkar, um pesquisador de pós-doutorado da UChicago PME. "Estamos principalmente a mineralizar e a empurrar a decomposição completa do PFAS em vez de apenas o cortar em fragmentos mais curtos."

Brian Chaplin, professor de Engenharia Química da Universidade de Illinois Chicago, que não esteve envolvido na investigação, elogiou-a como "um avanço concetual útil para futuras estratégias de tratamento redutor de PFAS".

"Este trabalho é novo em seu uso cuidadoso da eletroredução mediada por lítio, em vez das vias oxidativas mais comuns, para alcançar alta conversão de PFOA e desfluoração quase completa em um sistema não aquoso sem gerar subprodutos PFAS de cadeia mais curta ", disse Chaplin.

Enquanto investigadores de todo o mundo constroem formas de destruir as moléculas tenazes de PFAS através de luz UV, altas temperaturas, plasmas, micróbios ávidos de plástico ou outros meios, este novo trabalho vê a eletroquímica - a dança entre a eletricidade e as ligações moleculares - juntar-se à luta.

"A razão pela qual as pessoas adoram a eletroquímica é o facto de ser bastante modular", disse Amanchukwu. "Posso ter um painel solar com baterias e um reator eletroquímico no local que seja suficientemente pequeno para lidar com quaisquer fluxos de resíduos locais. Não é necessária uma grande central que funcione a altas temperaturas ou pressões, como acontece em alguns dos sistemas que as pessoas estão a tentar construir atualmente."

Produtos químicos teimosos, uma questão teimosa

Os PFAS são uma classe de milhares de químicos duráveis e resistentes utilizados em produtos como espumas de combate a incêndios, gabardinas, panelas antiaderentes e até nas batas de laboratório que a equipa utilizou durante a investigação. Mas essa durabilidade torna os PFAS tão difíceis de remover do solo, da superfície ou da água potável que lhes valeu a alcunha de "químicos para sempre".

"Todas essas propriedades - resistência ao fogo, resistência à água, resistência ao óleo - se devem a essas fortes ligações carbono-flúor nos PFAS", disse Sarkar. "Estas propriedades que tornam os PFAS tão úteis são também o que os torna tão difíceis de degradar".

Esta investigação sobre os PFAS marca um novo terreno para o Laboratório Amanchukwu da UChicago PME, que se concentra na conceção de electrólitos para as baterias e reactores electrocatalíticos necessários para a transição do planeta para fora dos combustíveis fósseis. Mas depois de apresentações em conferências e outras palestras, Amanchukwu, Sarkar e os membros da sua equipa continuaram a receber perguntas sobre uma preocupação ambiental diferente.

Sem exagero, quando eu dava palestras, garanto-vos que uma das perguntas que me faziam no final era: "Professor, porque é que está a fabricar mais produtos químicos para sempre?"" afirmou Amanchukwu.

Embora o laboratório de Amanchukwu seja pioneiro na produção de electrólitos de bateria sem PFAS, muitos electrólitos contêm PFAS, atualmente em pequenas quantidades e não do tipo conhecido por causar cancro ou outros problemas de saúde. No entanto, em vez de rejeitar a questão, a equipa inverteu-a: Se os electrólitos à base de PFAS já se degradam nas baterias, o que podem os cientistas aprender com isso?

A caça ao fracasso

"A eletroquímica consiste simplesmente em colocar eléctrodos num solvente", afirmou o professor de Química da Universidade Northwestern, George Schatz, coautor do novo trabalho. "Se tivermos estas moléculas dissolvidas em solventes e depois passarmos a corrente dos eléctrodos através do solvente, Chibueze e a sua equipa desenvolveram um esquema que destrói os PFAS".

Só o facto de se fazer zapping na água não é suficiente. A destruição dos PFAS através da sua oxidação - remoção de electrões até que as ligações entre os átomos se tornem instáveis - é difícil devido às propriedades químicas do flúor.

"O flúor é o elemento mais eletronegativo, por isso adora os electrões", disse Amanchukwu. "Isto torna difícil a oxidação de compostos fluorados. É muito mais fácil reduzi-los".

A tentativa de reduzir os compostos - adicionando electrões até que as ligações se tornem instáveis - continuou a reduzir a água circundante, decompondo-a em hidrogénio e oxigénio. O estudo de documentos que mostram que os PFAS se degradam involuntariamente em electrólitos de bateria sem água levou a um novo plano.

"A nossa inovação foi trabalhar com electrólitos não aquosos com elevada estabilidade redutora, de tal forma que, quando lhe adicionamos um composto fluorado, é o composto fluorado que se degrada redutoramente", afirmou Amanchukwu. "Este foi o avanço que tornou isto possível".

O tratamento dos eléctrodos de cobre com o lítio normalmente encontrado nas baterias finalizou o novo procedimento. A aplicação do seu sucesso com o PFOA a outros membros da enorme família dos "químicos eternos" revelou-se promissora para trabalhos futuros. Dos 33 compostos PFAS testados, 22 demonstraram quantidades de degradação superiores a 70%, com algumas degradações até 99%.

"As pessoas já fazem eletroquímica há muito tempo", disse Schatz. "Se fosse fácil, já teria sido descoberto".

As descobertas foram o resultado de uma colaboração construída através do Centro de Materiais Avançados para Sistemas de Energia e Água (AMEWS), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia patrocinado pelo Departamento de Energia dos EUA e liderado pelo Laboratório Nacional de Argonne.

"A intenção é tentar fazer com que os cientistas interajam uns com os outros, o que normalmente não acontece", disse Schatz. "Este tem sido um resultado empolgante associado ao Centro AMEWS".