Lichtmaterial soll PFAS im Wasser abbauen

Forschende aus den USA präsentieren ein lichtgetriebenes Material, das hartnäckige Wasserverunreinigungen abbaut. Entscheidend ist eine ungewöhnliche Materialkombination.

Ein Forschungsteam der Rice University hat ein neuartiges Material entwickelt, das mit Hilfe von Licht verschiedene Schadstoffe im Wasser abbauen kann – darunter auch per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS), die wegen ihrer Langlebigkeit als Ewigkeitschemikalien gelten. Kern des Ansatzes sind sogenannte kovalente organische Gerüste (Covalent Organic Frameworks, COFs). 

Diese Materialien besitzen eine hochporöse Struktur mit großer innerer Oberfläche und eignen sich daher für photokatalytische Reaktionen. Wird das Material bestrahlt, trennen sich elektrische Ladungen in Form von Elektronen und sogenannten Löchern, die chemische Reaktionen anstoßen können.

Lichteinfluss entscheidend

Wie die Forschenden in der Fachzeitschrift Materials Today berichten, sei das COF erstmals direkt auf eine zweidimensionale Schicht aus hexagonalem Bornitrid (hBN) aufgebracht worden. Dadurch entstehe eine Hybridoberfläche, die unter Lichteinfluss unterschiedliche Schadstoffe abbauen könne, darunter PFAS, Farbstoffe und pharmazeutische Rückstände. 

Nach Angaben von Yifan Zhu, Erstautor der Studie und Postdoktorand an der Rice University, beruht der Effekt auf der gezielten Kombination zweier unbedenklicher Materialien. Durch die direkte Verbindung könnten sich lichtangeregte Ladungen effizient bewegen, ohne an Grenzflächen verloren zu gehen. Das Verfahren komme zudem ohne Metalle aus, die selbst Umweltprobleme verursachen könnten.

Defekt-Engineering als Schlüssel zur Funktion

Um die beiden Materialien miteinander zu verbinden, nutzte das Team Defekt-Engineering. Dabei wurden gezielt mikroskopische Defekte in die hBN-Oberfläche eingebracht, die als Ankerpunkte für das Wachstum des COF dienten. Die so entstandene Grenzfläche lenke die lichtinduzierten Ladungen in unterschiedliche Richtungen und ermögliche den Abbau der Schadstoffe, so die Forschenden. 

Durch das direkte Zusammenwachsen der Materialien entstehe eine durchgängige Struktur, in der Ladungsträger effizient transportiert würden, ohne an Übergängen verloren zu gehen. hBN gilt dabei als besonders schwer modifizierbar, was den Ansatz aus Sicht der Forschenden technisch anspruchsvoll macht.

Erfolgreiche Tests

In Tests unter realitätsnahen Bedingungen wurde das Material in horizontalen und vertikalen Durchflussreaktoren untersucht, wie sie auch in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden. Dabei zeigte es über mehrere Reinigungszyklen hinweg eine konstante Leistung und blieb strukturell stabil. 

Jun Lou, korrespondierender Autor der Studie, sieht darin einen wichtigen Schritt hin zu kostengünstigen und vielseitig einsetzbaren Technologien für die Wasseraufbereitung. Das Material könne mehrere schwer abbaubare Schadstoffe gleichzeitig adressieren und eigne sich grundsätzlich für skalierbare Anwendungen.

An der Arbeit waren neben der Rice University auch Forschende der University of Florida beteiligt. Unterstützt wurde das Projekt unter anderem von der National Science Foundation, der Air Force Research Laboratory sowie der Welch Foundation.