全氟和多氟烷基物质（PFAS）具有独特的热稳定性、化学稳定性、疏水及疏油特性等，广泛应用于化工、电子、医疗设备、纺织机械、核工业等领域。然而碳-氟键的惰性导致PFAS在自然环境或温和条件下难以降解。例如，大量废弃的全氟辛酸(PFOA)，全氟辛磺酸(PFOS)等在自然界无法降解，已在自然水域、生物体甚至人体内检测到。它们在人体的富集会影响发育、生殖等，还会造成肝中毒、内分泌紊乱及致癌等危害。此外，特氟龙在260摄氏度可维持多年不分解，在500℃以上分解时则会释放出有毒气体。因此，被废弃于自然界的PFAS引发了一系列环境及健康问题。
近日我校合肥微尺度物质科学国家研究中心及化学系康彦彪教授与南京工业大学化学与分子工程学院曲剑萍教授组成的联合研究团队发展了具有高度扭曲咔唑核结构的超级有机光还原剂催化的PFAS低温脱氟反应。11月20日，该成果以“Photocatalytic low-temperature defluorination of PFASs”为题发表在国际权威学术期刊《Nature》上。
图1：光催化PFASs低温脱氟示意图。
目前，全氟和多氟烷基物质（PFAS）的降解方法主要包括水热法、机械化学法、电化学法、等离子体法以及过渡金属催化法等。现在的降解方式主要还是通过高温高压或输入大量能量对全氟和多氟烷基物质的结构进行破坏。这些方法具有能量损耗大、成本高、处理不完全、毒性大、污染高等缺点。亟需寻找一种廉价、原子经济性高、绿色环保、温和的方式来降解这些全氟和多氟烷基物质（PFAS），尤其是PTFE的降解。围绕上述挑战，研究团队基于在特定光照下具有超强还原性的原理，设计创制了超级有机光还原剂（取名为KQGZ），首次实现了低温下的特氟龙及小分子PFAS的完全脱氟矿化，将其高效回收为无机氟盐和碳资源。
理化科学实验中心为该工作提供了重要的技术支撑。通过XPS技术分析，确认了C-F键的断裂和碳产物中碳的化学状态，对证实脱氟效果和理解碳产物化学结构起到了关键作用，支持了研究中提出的脱氟机理。利用宽腔固体核磁共振（ss-NMR）技术研究了脱氟后的碳产物结构。结果表明，PTFE中C-F键几乎完全断裂，且形成了无定形碳和氟化盐等脱氟产物，对确认脱氟反应的成功和表征脱氟后产物的化学结构起到了重要作用。基于上述测试结果，表明无定形碳产物中含有芳基、亚甲基、甲基、羟基等结构，为确定碳产物的具体化学结构提供了实验数据支撑，也为反应机理的验证提供了极大助力。
图2: PTFE脱氟碳产物及其原料的XPS表征
图3: PTFE脱氟碳产物及其原料的固体核磁表征
该论文的第一作者是中国科大博士生张浩，通讯作者是中国科大康彦彪教授和南京工业大学曲剑萍教授。该项研究工作获得了国家重点研发项目催化专项(2021YFA1500100)、国家自然科学基金面上项目(22271268)和合肥微尺度物质科学国家研究中心的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08179-1