Ewigkeitschemikalien gehören zu den hartnäckigsten organischen Schadstoffen im Wasser. Selbst Verfahren, die PFAS zuverlässig aus einem Wasserstrom entfernen, lösen das eigentliche Problem häufig nicht, weil die stabilen Moleküle anschließend als belasteter Filterrückstand übrig bleiben. Ein neu entwickeltes Kohlenstoffmaterial verfolgt deshalb einen anderen Ansatz. Es soll die entscheidenden chemischen Bindungen der Stoffe direkt angreifen und die PFAS unter Licht weitgehend entfluorieren.
PFAS ist die Sammelbezeichnung für per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen, eine große Stoffgruppe, deren chemische Stabilität zugleich ihr technischer Vorteil und ihr größtes Umweltproblem ist. Viele dieser Stoffe besitzen zahlreiche Kohlenstoff-Fluor-Bindungen. Die C-F-Bindung zählt zu den besonders stabilen Bindungen der organischen Chemie und widersteht deshalb natürlichen Abbauprozessen ebenso wie vielen technischen Behandlungsmethoden. PFAS können dadurch über lange Zeiträume in Böden und Gewässern verbleiben und über den Wasserkreislauf weit transportiert werden. Für die Wasseraufbereitung entsteht daraus ein grundsätzliches Problem. Adsorptionsverfahren können Moleküle zwar aus dem Wasser holen, zerstören sie aber nicht zwangsläufig. Wie aufwendig schon die Abtrennung ist, zeigt ein deutscher Ansatz mit magnetischen Nanopartikeln gegen PFAS. Eine chemische Zerlegung der Moleküle wäre deshalb der weitergehende Schritt.
Genau daran arbeitet ein Team der Wuxi University, der Nanjing University of Science and Technology und der Nanjing University. Im Mittelpunkt steht kein gewöhnlicher Kohlefilter, sondern ein Verbund aus einem Graphen-Aerogel und einem metallorganischen Gerüst namens MIL-125-NH2(Ti). Ein Graphen-Aerogel ist ein extrem poröses Kohlenstoffgerüst mit sehr großer innerer Oberfläche. Das eingebettete metallorganische Material kann Lichtenergie aufnehmen und chemisch reaktive Spezies erzeugen. Entscheidend ist das Zusammenspiel beider Komponenten. Die PFAS werden in winzigen räumlichen Bereichen des Materials konzentriert, während gleichzeitig mehrere Reaktionswege ablaufen. Die Studie beschreibt diesen Effekt als Nanokonfinement. Dadurch verändern sich sowohl die Wahrscheinlichkeit, mit der die Schadstoffmoleküle auf reaktive Teilchen treffen, als auch die energetischen Bedingungen für das Aufbrechen ihrer Fluorbindungen.
Bei der Behandlung von Ewigkeitschemikalien reicht es nicht aus, lediglich die Kohlenstoffkette zu verkürzen. Viele oxidative oder reduktive Verfahren greifen PFAS zwar an, erzeugen dabei aber kürzere fluorierte Zwischenprodukte, die weiterhin sehr stabil sein können. Der Schadstoff wird dann chemisch verändert, ohne dass sein Fluor vollständig entfernt wurde. Dieses Problem betrifft besonders kurzkettige PFAS, die wegen ihrer hohen Wasserlöslichkeit zusätzlich schwer durch klassische Adsorber zurückzuhalten sind. Auch Trifluoracetat zeigt, wie langlebig sehr kleine fluorierte Moleküle werden können. Bei bestimmten Kältemitteln entsteht diese Verbindung sogar in der Atmosphäre und gelangt anschließend mit Niederschlägen in den Wasserkreislauf, wie die Untersuchung zu TFA aus modernen Kältemitteln zeigt. Eine wirksame Zerstörung muss deshalb bis zur eigentlichen Entfluorierung reichen.
Das neue System kombiniert zwei Funktionen, die bei herkömmlichen heterogenen Katalysatoren häufig räumlich getrennt oder unterschiedlich effizient ablaufen. Das Graphen-Aerogel zieht PFAS in seine poröse Struktur und erhöht nach den Messungen die Adsorptionsaffinität gegenüber unterschiedlichen Kettenlängen um mehr als 30 Prozent. Im Inneren befindet sich das lichtaktive MIL-125-NH2(Ti). Unter UV-Licht entstehen dort sowohl hydratisierte Elektronen mit stark reduzierender Wirkung als auch Hydroxylradikale mit oxidierender Wirkung. Die Studie in Nature Communications zeigt damit eine gekoppelte Reduktions- und Oxidationsreaktion innerhalb desselben Materials. Diese Kombination ist wichtig, weil verschiedene Zwischenprodukte auf unterschiedliche chemische Angriffe reagieren. Statt nur einen Reaktionsweg zu nutzen, kann die Photokatalyse mehrere Stufen des Zerfalls nacheinander unterstützen.
Die räumliche Konzentration innerhalb der winzigen Poren wirkt nicht nur wie eine Falle für PFAS. Die Berechnungen und experimentellen Analysen zeigen, dass das Nanokonfinement auch die energetischen Bedingungen der Reaktion verändert. Die Dissoziationsenergie der C-F-Bindung sank im untersuchten System je nach Verbindung um bis zu 10,8 Prozent. Das bedeutet nicht, dass die Bindung plötzlich instabil wird. Es bedeutet aber, dass weniger Energie erforderlich ist, um den entscheidenden chemischen Schritt einzuleiten. Gleichzeitig befinden sich die PFAS dort, wo die reaktiven Elektronen und Radikale entstehen. Das reduziert Transportwege und erhöht die Wahrscheinlichkeit produktiver Reaktionen, bevor sich die kurzlebigen Teilchen gegenseitig neutralisieren. Die Arbeitsgruppe der Nanjing University beschreibt auf ihrer offiziellen Forschungsseite zum PFAS-Abbau, dass gerade diese Kombination aus thermodynamischem und kinetischem Vorteil für die hohe Entfluorierung verantwortlich ist.
Als Testsubstanzen dienten PFAS mit unterschiedlichen Kettenlängen. Bei der langkettigen Perfluoroctansäure PFOA erreichte das System innerhalb von zwölf Stunden eine Entfluorierungsrate von 90,2 Prozent. Für die kürzere Perfluorhexansäure PFHxA lag der Wert bei 65,3 Prozent, für Perfluorbutansäure PFBA bei 51,8 Prozent. Gerade der Unterschied zwischen den drei Substanzen ist chemisch aufschlussreich. Kurzkettige PFAS gelten bei vielen Reinigungsverfahren als besonders schwierig, weil sie wasserlöslicher sind und schwächer an Oberflächen haften. Das neue Material löst dieses Problem noch nicht vollständig, zeigt aber eine deutliche Entfluorierung über mehrere Kettenlängen hinweg. Die Ergebnisse gehen damit über eine bloße Entfernung aus der Flüssigkeit hinaus. Fluor wird tatsächlich aus den organischen Molekülen abgespalten, wodurch der besonders dauerhafte Teil ihrer chemischen Struktur angegriffen wird.
Der Versuch zeigt einen chemischen Mechanismus und keine bereits einsatzfertige Anlage für kommunales Trinkwasser. UV-Bestrahlung benötigt Energie, das Katalysatormaterial muss in größerem Maßstab hergestellt und über viele Zyklen stabil betrieben werden und reale Wässer enthalten zahlreiche weitere Stoffe, die Licht absorbieren oder reaktive Teilchen abfangen können. Außerdem unterscheidet sich eine definierte Laborlösung deutlich von Grundwasser, Industrieabwässern oder Kläranlagenabläufen. Dass PFAS bereits in vielen alltäglichen Wasserströmen vorkommen, zeigen Untersuchungen von Trinkwasser und Lebensmitteln. Selbst PFAS in Bier lassen sich auf belastete Wasserquellen zurückführen. Für eine technische Anwendung muss deshalb geklärt werden, wie zuverlässig das Material mit komplexen Mischungen und sehr niedrigen Konzentrationen umgeht.
Viele heutige Verfahren verschieben PFAS zunächst aus einer Phase in eine andere. Aktivkohle, Ionentauscher oder spezielle Adsorber konzentrieren die Stoffe in einem Filtermaterial, das anschließend regeneriert, verbrannt oder als belasteter Abfall behandelt werden muss. Das neue Verfahren zielt dagegen auf die Molekülstruktur selbst. Gerade darin liegt seine wissenschaftliche Bedeutung. Die Verbindung aus Adsorption, Photokatalyse und Nanokonfinement bringt den Schadstoff an einen Ort, an dem gleichzeitig reduzierende und oxidierende Reaktionen möglich werden. Noch ist offen, ob sich diese Architektur wirtschaftlich auf große Wassermengen übertragen lässt. Die Arbeit zeigt jedoch, dass die extreme Stabilität der Fluorbindungen kein unveränderliches Hindernis sein muss. Werden Moleküle räumlich konzentriert und die Reaktionsbedingungen auf Nanometerskala verändert, lässt sich ein deutlich tieferer chemischer Abbau erreichen als mit vielen konventionellen heterogenen Katalysatoren.
Nature Communications, MOF-mediated cascade photoreactions under nanoconfinement for defluorination of per- and polyfluoroalkyl substances; doi:10.1038/s41467-026-78192-7