曾经的奇迹，今日的负担
全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类难以在自然环境中分解的有机化合物，几乎污染了整个地球。
自20世纪30年代被发现以来，这类化学物质就以其防水、耐热、防油的特性，一直在塑造现代生活。它们是各种化妆品、阻燃泡沫、厨房用具、金属涂料、包装材料、纺织品等产品的关键成分。然而，PFAS的“奇迹”特性也反过来使得PFAS在环境中极为持久且难以降解。因此，它们也被称为“永恒的化学物质”。
如今，PFAS已无处不在，从水源和土壤到偏远的山顶，都可以检测到它们的踪迹。研究表明，PFAS与发育障碍、免疫系统抑制和癌症等健康问题密切相关，其潜在危害促使科学界积极探索降解这一“超级污染物”的方法。
PFAS的核心问题在于其分子结构中具有极强的碳-氟（C–F）键。这种化学键是自然界最强的键之一。通常，化学家需要耗费大量能量和高昂的成本才能打破这些化学键。这大大限制了对PFAS进行大规模清理的可行性。
近期发表在《自然》期刊的两项研究为解决这一难题带来了希望。这两项研究都提出了创新且低能耗的PFAS降解方法：通过利用可见光与特殊的催化剂，成功地打破C–F键，进而将PFAS转化为较为无害的物质。在这两种方法中，催化剂都会吸收光，然后引发反应。
光与催化剂的结合
在由中国科学技术大学的化学家团队完成的研究中，他们展示了一种高效降解PFAS分子的过程。
在实验中，当一种有机催化剂被波长为407纳米的LED可见光照射时，催化剂会提供一个电子，来“切断”PFAS中的C-F键，形成负离子自由基。负离子自由基是一种带负电的分子，携带一个未配对的电子。
然后，无论是断开的C-F键还是碳-碳（C-C）键，都会引发一系列能形成氟化钾（KF），以及羧酸盐离子（主要是甲酸盐、碳酸盐、草酸盐和三氟乙酸盐）的多步骤反应。这些反应在有机溶剂中表现最好，但在含有一些水的溶剂中也能起作用。
总的来说，这种方法既可以降解溶解的短链PFAS，也可以降解固体PFAS。利用这种方法，即使是像聚四氟乙烯（PTFE）这种高分子PFAS（通常被认为极难降解），也能被成功分解为活性炭和氟化钾。
在另一项研究中，科罗拉多州立大学的化学家开发了一种不同的方法。他们使用了一种不同的有机催化剂，展示了一种可以高效的、能够在室温下使用的光催化系统。
在这种方法中，C–F键可以在可见光下被还原为碳-氢（C-H）键，从而将PFAS转化为更无害的化合物。值得一提的是，在这个系统的反应中，研究人员并没有观察到C-C键的广泛断裂。相反，其主要产物都是通过氢原子取代氟原子而形成的，这使得分子的碳框架非常完整。
虽然这种方法尚未应用于像特PTFE这样的高分子PFAS，但它为处理小分子PFAS提供了很有希望的解决方案。而且是这一种非常具有可持续性，并有着很高的效率的方法。研究人员表示，这种方法除了可被用于降解PFAS，还可用于处理塑料中的顽固化合物。
一切才刚刚开始
这两项研究标志着PFAS降解技术的重要进展：中国科学技术大学的研究团队的方法展现了高效性和广泛适用性，而科罗拉多州立大学的研究团队的方法则提供了对化学键精准控制的可能性。两种技术为解决PFAS污染提供了新的路径，并为未来开发更多可持续的脱氟反应奠定了基础。
这些成果表明，我们正在迈向一个能够大规模处理“永恒化学物质”的时代。虽然距离彻底解决这一问题仍有距离，但光催化技术的突破让我们对未来充满期待。毕竟，一切才刚刚开始。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://natsci.source.colostate.edu/nature-paper-discusses-new-approach-to-breakdown-pfas-forever-chemicals/
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03753-z
https://www.nature.com/articles/d41586-024-03550-8
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08179-1
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08327-7
#图片来源：
封面图&首图：KLAU2018
