Los científicos logran una degradación eficiente y a baja temperatura de ‘sustancias químicas eternas’

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Kang Yanbiao de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia de Ciencias de China ha realizado un descubrimiento importante en el campo de la química ambiental. Desarrollaron un nuevo fotocatalizador llamado KQGZ, que puede desfluorar fotocatalíticamente sustancias polifluoroalquiladas y perfluoroalquilas (PFAS) en un rango de temperatura bajo de 40 °C a 60 °C. Este hallazgo ha sido publicado en Naturaleza.

Los PFAS, conocidos como «productos químicos permanentes», poseen altas estabilidades térmicas y químicas, así como propiedades hidrofóbicas y oleofóbicas debido a los enlaces inertes carbono-flúor (C-F). Como resultado, se utilizan ampliamente en diversos campos, como el químico, el electrónico y el de dispositivos médicos.

Sin embargo, la inercia de los enlaces C-F también dificulta que las PFAS se descompongan mediante defluoración en un entorno natural o en condiciones suaves. Por ejemplo, la pirólisis del teflón suele producirse a más de 500°C y se liberan gases tóxicos. La eliminación de PFAS en el medio ambiente natural ha dado lugar a una serie de problemas ambientales y de salud.

Para abordar estos desafíos, el equipo diseñó y creó un superfotorreductor orgánico llamado KQGZ basado en las características de la fuerte reducibilidad de los fotorreductores en condiciones de luz específicas. Como tipo de fotorreductor, KQGZ puede excitarse absorbiendo luz y transfiriendo un electrón de su estado excitado a otras moléculas orgánicas.

Al agregar KQGZ al sistema de reacción y experimentar con diversas condiciones de reacción, el equipo logró por primera vez la defluoración y mineralización completa del teflón y las moléculas pequeñas de PFAS a bajas temperaturas, reciclándolos de manera eficiente en sales de fluoruro inorgánicos y recursos de carbono.

Más específicamente, los experimentos principales del estudio involucraron la aplicación de KQGZ como fotocatalizador bajo luz visible para defluorar una variedad de PFAS, incluidos politetrafluoroetileno (PTFE), perfluorocarbonos (PFC), ácido perfluorooctano sulfónico (PFOS), ácido polifluorooctanoico (PFOA) y sus derivados.

El proceso dio como resultado la formación de carbono amorfo y sales de fluoruro a partir de PTFE, mientras que los PFAS oligoméricos produjeron una variedad de productos de carbonato, formiato, oxalato y trifluoroacetato. Esto no solo aborda la degradación de los PFAS sino que también permite el reciclaje del flúor en forma de sales de fluoruro inorgánico.

También se llevó a cabo una investigación mecanística detallada para comprender el comportamiento de la reacción y las diferencias en la composición del producto entre el PTFE y los PFAS oligoméricos. Los investigadores descubrieron que la capacidad de reducción fotocatalítica no está directamente correlacionada con el potencial de oxidación excitado del fotocatalizador, desafiando el paradigma tradicional en este campo.

Esta idea sugiere que la capacidad de transferencia de electrones del fotocatalizador puede estar relacionada con la torsión del anillo de carbazol, un hallazgo que podría guiar el diseño de fotocatalizadores más eficaces en el futuro.

Finalmente, el estudio también investigó meticulosamente los efectos de varios reactivos reductores y descubrió que la mayoría demostró una buena reactividad, siendo el γ-terpineno y el formiato de cesio los que arrojaron los mejores resultados. Los experimentos de control confirmaron el papel indispensable de la luz, el fotocatalizador y el reactivo reductor en el proceso de defluoración.

Este estudio no sólo informa por primera vez del efecto promotor de los núcleos de carbazol altamente retorcidos sobre la transferencia de electrones de los superfotorreductores, sino que también muestra que el potencial oxidativo excitado de los fotorreductores no está directamente relacionado con su capacidad de reducción y, por lo tanto, no debería ser el único estándar para la capacidad de fotorreducción. Además, la capacidad de desfluorar completamente el teflón y otros PFAS puede servir como estándar para la capacidad de reducción de los reductores orgánicos.