Per- und Polyfluoralkylverbindungen (PFAS) sind langlebig, feuerfest sowie wasser- und schmutzabweisend. Diese Eigenschaften haben dazu geführt, dass das vermeintliche Wundermaterial in vielen Produkten des täglichen Bedarfs vorkommt: In der Beschichtung von Kochgeschirr, als Imprägniermittel für Outdoorkleidung, in wasserfester Kosmetik und sogar in Feuerlöschschaum. „Die reaktionsträgen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen (C-F), die den PFAS ihre Eigenschaften verleihen, machen sie jedoch auch resistent gegen eine Zersetzung durch Defluorierung“, erklärt ein Team um Hao Zhang von der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei. „Dadurch reichern sie sich in der Umwelt und im menschlichen Körper an, was erhebliche Sicherheits- und Gesundheitsbedenken aufwirft.“ Unter anderem gelten mehrere dieser Verbindungen als krebserregend.
Aktivierung durch Licht
Zhang und sein Team haben deshalb nach Möglichkeiten gesucht, PFAS effizienter abzubauen. „Verfahren für das Recycling von PFAS sind bisher auf Methoden beschränkt, die hohe Temperaturen oder starke Reduktionsmittel benötigen“, erklären die Forschenden. Für ihren neuen Ansatz setzen sie stattdessen auf ein sogenanntes Photo-Reduktionsmittel. „Das ist eine Substanz, die Licht absorbiert und dadurch angeregt wird. Aus dem angeregten Zustand kann sie ein Elektron auf eine andere organische Substanz übertragen.“
Bei PFAS wird dadurch entweder eine der Kohlenstoff-Fluor-Bindungen gespalten oder eine Bindung zwischen zwei Kohlenstoff-Atomen im Inneren des Moleküls. Die dabei entstehenden Radikale treiben weitere Reaktionen voran, bis am Ende nur noch kleine, leichter abbaubare Moleküle zurückbleiben, darunter Kohlenstoff, Fluoridsalze sowie die Salze von Kohlensäure, Ameisensäure und Oxalsäure. Das Besondere: Während für bisherige Verfahren oft Temperaturen von über 500 Grad Celsius erforderlich sind, kann der neue, lichtaktivierte Katalysator bereits bei 40 bis 60 Grad Celsius verschiedene Arten von PFAS spalten.
Reaktion bei Raumtemperatur
Noch geringere Temperaturen ermöglicht ein Ansatz von Forschenden um Xin Liu von der Colorado State University. Auch sie verwenden einen Katalysator, der durch Licht aktiviert wird. Sogar bei Raumtemperatur kann dieser Katalysator die stabilen Bindungen zwischen Kohlenstoff und Fluor spalten. Die Kohlenstoffkette bleibt dabei erhalten, wobei das Fluor durch Wasserstoffatome ersetzt wird. „Unsere Methode ist nachhaltiger und effizienter als bisherige Verfahren und kann neben den offensichtlichen Anwendungen im Zusammenhang mit PFAS auch für hartnäckige Verbindungen in Kunststoffen eingesetzt werden“, sagt Lius Kollege Garret Miyake.
Die nächste Herausforderung für beide Forschungsteams besteht darin, ihren Ansatz über den Labormaßstab hinaus reif für die Praxis zu machen. „Wir müssen diese Technologie praktikabler machen, damit sie im Wasser oder im Boden eingesetzt werden kann – also dort, wo PFAS in der Umwelt vorkommen“, sagt Lius Kollege Mihai Popescu. „Damit die Chemie, die wir hier vorstellen, unter diesen Bedingungen nützlich sein kann, haben wir noch viel zu tun.“
