中国科大低温催化还原：全氟化合物处理的曙光
中国科大低温催化还原：全氟化合物处理的曙光
全氟和多氟烷基物质因其独特的性能在多个领域得到广泛应用，但同时也带来了严重的环境问题。近日，中国科学技术大学康彦彪教授团队在这一领域取得重大突破，开发出一种低温催化还原方法，能够在40-60摄氏度的条件下实现全氟及多氟烷基化合物的完全脱氟矿化，为解决这一全球性环境难题提供了新的技术手段。
在当今化学与环境科学的前沿领域，全氟和多氟烷基物质一直是备受瞩目的研究焦点。这类物质因其分子内极为牢固的碳 - 氟键，而被赋予了独特的热稳定性、化学稳定性、疏水及疏油特性等一系列卓越性能，从而在化工、电子、医疗设备、纺织机械、核工业等众多关键领域得到了广泛应用。例如，在化工行业中，全氟和多氟烷基物质常被用作高性能的耐腐蚀材料；在电子领域，其在半导体制造过程中的光刻胶、电子元件的防护涂层等方面发挥着不可或缺的作用；医疗设备方面，一些特殊的医疗器械涂层也依赖于这类物质来实现特定的功能，如抗凝血、抗感染等。
然而，这些优异的特性在其废弃后却转化为了严峻的环境挑战。由于碳 - 氟键的超强稳定性，全氟和多氟烷基物质在自然环境或温和条件下几乎难以降解，它们因此被冠上了 “永久化学品” 的恶名。一旦进入环境，它们会在土壤、水体等介质中长时间残留，并且能够通过食物链的传递在生物体内富集，进而对生态系统的平衡以及人类的健康产生潜在的严重威胁。据相关研究显示，某些全氟和多氟烷基化合物已在远离污染源的偏远地区被检测到，甚至在极地地区的生物体内也发现了它们的踪迹，这充分表明了其在全球范围内的扩散性和持久性。
面对这一全球性的环境难题，世界各地的科研团队纷纷投入到全氟和多氟烷基物质降解方法的研究中，也取得了一些阶段性的成果。例如，美国西北大学的研究团队在 2022 年 8 月于《Science》杂志发表的研究中发现，可利用相对低温（80 至 120 摄氏度）和常见试剂降解全氟 / 多氟烷基物质。他们精准地找到了 PFAS 分子一端的带电氧原子这一弱点，在特定温度下，借助常见溶剂和试剂对这些氧原子展开攻击，破坏分子头部原子群，使剩余的尾部易于发生化学反应，最终促使整个分子在一系列复杂反应中瓦解，并得到相对良性的最终产物。不过，该方法所需温度仍相对较高，且仅对部分特定的 PFAS 化学物质进行了研究，对于其他种类的 PFAS 化学物质，还需进一步探索各自的降解途径。
日本立命馆大学的研究团队在 2024 年 7 月于《Angewandte Chemie International Edition》杂志上公布的研究成果则是利用可见光 LED 光降解 PFAS。他们通过将硫化镉（CdS）纳米晶体和铜掺杂的硫化镉（Cu - CdS）纳米晶体与巯基丙酸（MPA）表面配体在含有 PFAS、氟聚合物和三乙醇胺（TEOA）的溶液中进行辐照，成功产生具有高还原电位的电子，从而打破 PFAS 分子中的强碳氟键。此方法能够在 8 小时内实现全氟辛烷磺酸（一种 PFAS）100% 的分解，24 小时内实现 Nafion（一种氟聚合物）81% 的脱氟。但该方法对于某些物质的完全降解所需时间较长，且其广谱性在目前阶段尚未得到全面验证。
在中国，中国科学技术大学康彦彪教授研究团队在这一领域也取得了重大突破。他们创新性地发展了一种低温（40 - 60 摄氏度）的催化还原特氟龙等全氟及多氟烷基化合物的完全脱氟新方法。
该研究团队基于独特的扭曲促进电子得失策略，精心设计并成功创制了在特定光照下具有超强还原性的超级有机光还原剂 KQGZ。KQGZ 具有高度扭曲的咔唑核，这种特殊的结构设计堪称精妙绝伦。其扭曲结构犹如一把钥匙，有效地促进了电子的得失，从而赋予了 KQGZ 超强的还原能力，经实验测定，其还原能力与金属锂单质相当甚至更强。这一全新的光还原剂不仅在全氟及多氟烷基化合物的降解反应中表现卓越，在目前已经尝试的百余类涉及催化断裂牢固碳 - 杂以及杂 - 杂原子键的反应中，均取得了令人满意的理想结果，充分展现了其广谱的催化性能。
在实际的催化还原过程中，KQGZ 在 40 至 60 摄氏度的低温区间内，就能够实现特氟龙及小分子全氟和多氟烷基物质的完全破坏与脱氟矿化。这一过程就像是一场精准的分子拆解手术，将原本顽固的全氟和多氟烷基物质逐步分解，最终高效地回收为无机氟盐和碳资源。例如，在一系列实验测试中，对于特定的全氟和多氟烷基化合物样本，经过一定时间的催化还原反应后，其碳 - 氟键被逐步断裂，氟元素以无机氟盐的形式被回收，而剩余的碳元素则转化为可利用的碳资源，实现了从有害废弃物到有用资源的华丽转身。
从科学意义的角度来看，中国科大康彦彪教授团队的这一研究成果具有多方面的重大价值。首先，在光催化还原领域，他们首次报道了高度扭曲咔唑核对于超级光还原剂电子得失的促进作用，这为新型超级光还原剂的设计和研制开辟了全新的思路，如同在黑暗中点亮了一盏明灯，为后续相关研究提供了重要的理论依据和方向指引。其次，该研究还打破了传统认知，发现光还原剂的激发态氧化电位与其还原能力并无直接关联，并非判断光催化剂还原能力的唯一标准，这一发现无疑是对光催化还原理论体系的一次重要补充和完善，促使科研人员重新审视和深入思考光催化反应中的内在机制。
在应用价值方面，其成果同样显著。一方面，该新方法极大地降低了环境污染治理成本。以往针对全氟及多氟烷基化合物的降解处理，往往需要高温、高压等苛刻条件，这不仅对设备要求极高，而且能耗巨大，导致处理成本居高不下。而康彦彪教授团队的低温催化还原方法，仅需在 40 - 60 摄氏度的温和条件下即可高效进行，大大降低了能耗和设备投入，使得大规模处理全氟及多氟烷基化合物污染成为了一种经济可行的方案。这对于那些面临大量含氟废弃物处理难题的企业来说，无疑是一个福音，能够有效减轻企业在环保方面的沉重经济负担，同时也为整个社会的环境保护事业提供了有力的技术支撑。
另一方面，该研究实现的资源回收利用模式创造了可观的经济价值。通过将全氟和多氟烷基物质转化为无机氟盐和碳资源，无机氟盐可在化工等众多领域作为重要原料重新投入生产，实现了氟资源的循环利用；而碳资源也能够在其他相关产业中得到合理利用，避免了资源的浪费。这种变废为宝的资源回收模式，符合当今社会可持续发展的理念，有望带动资源循环利用产业的蓬勃发展，为相关企业和产业带来新的经济增长点，促进整个产业链的绿色、低碳、循环发展。
此外，该研究成果的成功还提升了我国在国际光催化还原领域的地位和影响力。在全球科研竞争日益激烈的今天，这一原创性的研究成果在国际顶级学术期刊上发表后，吸引了全球同行的广泛关注和高度赞誉，彰显了我国在这一前沿科学领域的卓越研究实力和创新能力，为我国在国际科技舞台上赢得了更多的话语权和尊重，也将吸引更多优秀的科研人才投身到相关研究中来，进一步推动我国科技事业的繁荣发展。
综上所述，中国科学技术大学康彦彪教授研究团队的低温催化还原全氟及多氟烷基化合物的新方法，无论是在科学理论的创新突破，还是在实际应用的广泛价值以及国际影响力的提升等方面，都具有不可估量的重要意义。这一成果不仅为解决全氟和多氟烷基物质这一全球性的环境难题提供了强有力的技术手段，也为化学与环境科学领域的未来发展注入了新的活力与希望，有望在全球范围内引发更多关于此类物质降解和资源回收利用的深入研究与创新实践，从而推动人类社会朝着更加绿色、可持续的方向大步迈进。