Los investigadores utilizan pilas averiadas para luchar contra las "sustancias químicas eternas"

"Si alguien se queja de que este compuesto se degrada de esta manera y da lugar a una batería que cicla mal, nos entusiasmamos", explica Amanchukwu. "Porque podemos darle la vuelta a la degradación de los PFAS".

En colaboración con investigadores de la Universidad Northwestern, el equipo de PME de la UChicago convirtió las condiciones que desgraciadamente degradan los componentes de las baterías en una nueva y potente técnica para degradar intencionadamente los contaminantes del agua conocidos como sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, o PFAS.

Sus resultados, publicados en Nature Chemistry, muestran resultados notables en la descomposición de la molécula de cadena larga PFAS ácido perfluorooctanoico (PFOA) en flúor mineralizado sin formar cadenas moleculares cortas que pueden ser aún más difíciles de eliminar del agua. Esta nueva fuente de flúor puede utilizarse para crear compuestos sin PFAS, convirtiendo los contaminantes en valiosos productos comerciales.

"Conseguimos alrededor de un 94% de defluoración y un 95% de degradación. Eso significa que rompemos casi todos los enlaces carbono-flúor de los PFAS", explica el primer autor Bidushi Sarkar, investigador postdoctoral de PME de la UChicago. "Principalmente mineralizamos e impulsamos la descomposición completa de los PFAS en lugar de limitarnos a trocearlos en fragmentos más cortos".

El profesor de Ingeniería Química de la Universidad de Illinois Chicago Brian Chaplin, que no participó en la investigación, la elogió como "un avance conceptual útil para futuras estrategias de tratamiento reductor de PFAS."

"Este trabajo es novedoso por su uso reflexivo de la electrorreducción mediada por litio, en lugar de las vías oxidativas más comunes, para lograr una alta conversión de PFOA y una defluoración casi completa en un sistema no acuoso sin generar subproductos de PFAS de cadena más corta", afirmó Chaplin.

Mientras investigadores de todo el mundo crean formas de destruir las tenaces moléculas de PFAS mediante luz ultravioleta, altas temperaturas, plasmas, microbios hambrientos de plástico u otros medios, este nuevo trabajo ve cómo la electroquímica -la danza entre la electricidad y los enlaces moleculares- se une a la lucha.

"A la gente le encanta la electroquímica porque es bastante modular", explica Amanchukwu. "Puedo tener un panel solar con baterías y un reactor electroquímico in situ lo bastante pequeño para tratar cualquier flujo de residuos local. No hace falta una gran planta que funcione a altas temperaturas o altas presiones, que es lo que hay en algunos de los sistemas que la gente intenta construir hoy en día."

Productos químicos obstinados, una cuestión obstinada

Los PFAS son una clase de miles de sustancias químicas duraderas y resistentes que se utilizan en productos como espumas antiincendios, impermeables, sartenes antiadherentes e incluso las batas de laboratorio que llevaba el equipo durante la investigación. Pero esa durabilidad hace que los PFAS sean tan difíciles de eliminar del agua subterránea, superficial o potable que se han ganado el apodo de "sustancias químicas para siempre".

"Todas estas propiedades (resistencia al fuego, al agua y al aceite) se deben a los fuertes enlaces carbono-flúor de los PFAS", explica Sarkar. "Estas propiedades que hacen que los PFAS sean tan útiles son también las que los hacen tan difíciles de degradar".

Esta investigación sobre los PFAS abre nuevos caminos para el laboratorio Amanchukwu del PME de la UChicago, que se centra en el diseño de electrolitos para las baterías y los reactores electrocatalíticos necesarios para que el planeta abandone los combustibles fósiles. Pero tras las presentaciones en congresos y otras charlas, Amanchukwu, Sarkar y los miembros de su equipo seguían recibiendo preguntas sobre una preocupación medioambiental distinta.

"Sin exagerar, cuando daba charlas, les garantizo que una de las preguntas que me hacían al final era: "Profesor, ¿por qué fabrican más sustancias químicas para siempre?"". afirma Amanchukwu.

Aunque el laboratorio de Amanchukwu es pionero en electrolitos para baterías sin PFAS, muchos electrolitos contienen PFAS, actualmente en pequeñas cantidades y no del tipo conocido por causar cáncer u otros problemas de salud. Sin embargo, en lugar de descartar la cuestión, el equipo le dio la vuelta: Si los electrolitos basados en PFAS ya se degradan en las pilas, ¿qué pueden aprender los científicos de ello?

A la caza del fallo

"La electroquímica consiste simplemente en poner electrodos en un disolvente", explica George Schatz, catedrático de Química de la Universidad Northwestern y coautor del nuevo trabajo. "Si tienes estas moléculas disueltas en disolventes y luego pasas corriente desde los electrodos a través del disolvente, Chibueze y su equipo desarrollaron un esquema en el que eso destruye los PFAS".

No basta con eliminar el agua. Descomponer los PFAS oxidándolos -eliminando electrones hasta que los enlaces que unen los átomos se vuelvan inestables- es difícil debido a las propiedades químicas del flúor.

"El flúor es el elemento más electronegativo, por lo que le encantan los electrones", explica Amanchukwu. "Esto dificulta la oxidación de los compuestos fluorados. Es mucho más fácil reducirlos".

Al intentar reducir los compuestos -añadiendo electrones hasta que los enlaces se vuelven inestables- se siguió reduciendo el agua circundante, descomponiéndola en hidrógeno y oxígeno. El estudio de documentos que mostraban que los PFAS se degradaban involuntariamente en electrolitos de baterías sin agua condujo a un nuevo plan.

"Nuestra innovación consistió en trabajar con electrolitos no acuosos de gran estabilidad reductora, de modo que cuando añadimos un compuesto fluorado, es éste el que se degrada reductivamente", explica Amanchukwu. "Ése ha sido el avance que ha hecho esto posible".

El tratamiento de los electrodos de cobre con el litio habitual en las baterías finalizó el nuevo procedimiento. Aplicar su éxito con el PFOA a otros miembros de la enorme familia de los "productos químicos para siempre" resultó prometedor para futuros trabajos. De los 33 compuestos de PFAS probados, 22 mostraron una degradación superior al 70%, y algunos hasta el 99%.

"La gente lleva mucho tiempo haciendo electroquímica", dijo Schatz. "Si fuera fácil, ya se habría descubierto".

Los hallazgos fueron el resultado de una colaboración realizada a través del Centro de Materiales Avanzados para Sistemas de Energía-Agua (AMEWS), un Centro de Investigación de la Frontera Energética patrocinado por el Departamento de Energía de EE.UU. y dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne.

"La intención es intentar que interactúen entre sí científicos que normalmente no lo harían", explica Schatz. "Éste ha sido un resultado apasionante asociado al Centro AMEWS".