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PFAS Neuartiger Katalysator sorgt für PFAS-Abbau

Quelle: Pressemitteilung Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt a. M. 2 min Lesedauer

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Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) besitzen eine oder mehrere äußerst stabile Kohlenstoff-Fluor-Bindungen, die dafür sorgen, dass sie sehr langlebige Verbindungen sind. Um sie in der Umwelt schneller abzubauen, haben Frankfurter Wissenschaftler nun einen Katalysator entwickelt, der die Kohlenstoff-Fluor-Bindungen schnell spaltet.

PFAS-haltige Beschichtungen sorgen dafür, dass das Ei in der Pfanne nicht anbackt. In der Umwelt werden PFAS kaum abgebaut und werden von Umweltbehörden daher kritisch gesehen. (Bild: Markus Bernards / Goethe-Universität Frankfurt)
PFAS-haltige Beschichtungen sorgen dafür, dass das Ei in der Pfanne nicht anbackt. In der Umwelt werden PFAS kaum abgebaut und werden von Umweltbehörden daher kritisch gesehen.
(Bild: Markus Bernards / Goethe-Universität Frankfurt)

Eigentlich sind per- und polyfluorierte organische Verbindungen (PFAS) großartige Moleküle: Schon eine dünne PFAS-Schicht lässt Wasser ebenso abperlen wie Öl und Schmutz. Gleichzeitig sind PFAS äußerst widerstandsfähig gegenüber Hitze und UV-Licht. Das macht sie zur beliebten Beschichtung von atmungsaktiver Outdoor-Kleidung, schmutzabweisenden Teppichen, Einweggeschirr, Bügeleisen oder Pfannen, in denen die Bratkartoffeln geröstet werden anstatt anzubrennen. Industriell werden PFAS als Schmiermittel verwandt, als Tenside und Netzmittel, bei der Verchromung oder in Feuerlöschmitteln. Die Liste ist lang, PFAS finden sich fast überall.

Diese Vorzüge haben ihren Preis: Da PFAS so widerstandsfähig sind, bleiben sie auch dann in der Umwelt, wenn sie eigentlich nicht mehr gebraucht werden. Zwar lassen sich PFAS in Müllverbrennungsanlagen nahezu vollständig verbrennen. Werden Materialien wie zum Beispiel Textilien oder Klärschlamm jedoch recycelt, können sich PFAS im Stoffkreislauf anreichern und in die Umwelt gelangen, wo sie in Gewässern, Böden, Pflanzen und auch im menschlichen Körper nachweisbar sind. Dies ist besonders problematisch, weil einige der rund 4700 PFAS-Verbindungen im Verdacht stehen, krebserregend zu sein oder andere Gesundheitsschäden hervorzurufen.

Bor-Katalysator spaltet C-F-Bindungen

Das Erfolgsrezept ‒ und gleichzeitig die Problematik ‒ der PFAS liegen in ihren molekularen Strukturen, die äußerst stabile Bindungen zwischen Kohlenstoff- (C) und Fluoratomen (F) aufweisen. Chemikern um Prof. Matthias Wagner vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Goethe-Universität Frankfurt ist es nun gelungen, einen Katalysator zu entwickeln, der solche C-F-Bindungen spaltet, und das innerhalb von Sekunden und bei Raumtemperatur. Herzstück des Katalysators sind zwei Bor-Atome, die so in ein Kohlenstoffgerüst eingebettet sind, dass sie unempfindlich gegenüber Luft und Feuchtigkeit sind. Diese für Borverbindungen ungewöhnliche Eigenschaft erleichtert den Umgang mit dem Katalysator erheblich.

Zwei Bor-Atome (grüne Kugeln) sind in ein Gerüst aus Kohlenstoffatomen (schwarz) eingebettet. Die für die C-F-Spaltung nötigen Elektronen stammen derzeit noch aus Lithium (pink), künftig aus elektrischem Strom.(Bild: Gruppe Matthias Wagner/ Goethe-Universität Frankfurt)
Zwei Bor-Atome (grüne Kugeln) sind in ein Gerüst aus Kohlenstoffatomen (schwarz) eingebettet. Die für die C-F-Spaltung nötigen Elektronen stammen derzeit noch aus Lithium (pink), künftig aus elektrischem Strom.
(Bild: Gruppe Matthias Wagner/ Goethe-Universität Frankfurt)

Christoph Buch, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Wagner und Erstautor der Studie über den neuen Katalysator, erläutert: „Für die Spaltung der C-F-Bindungen benötigen wir Elektronen, die unser Katalysator besonders effizient überträgt. Als Quelle dieser Elektronen verwenden wir bislang noch Alkalimetalle wie Lithium. Wir arbeiten aber bereits daran, stattdessen elektrischen Strom als Elektronenquelle zu nutzen, was zu einem deutlich einfacheren und effizienteren Verfahren führen wird.“

Originalpublikation: C. D. Buch, A. Virovets, E. Peresypkina, B. Endeward, H.-W. Lerner, F. Fantuzzi, S. Yamaguchi, M. Wagner: Planarity Is Not Plain: Closed- vs Open-Shell Reactivity of a Structurally Constrained, Doubly Reduced Arylborane toward Fluorobenzenes.; Journal of the American Chemical Society (JACS, 2025)

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