通过水相光催化还原实现PFAS的完全除氟

为何攻破“永久化学物质”终于变得可行

几十年来，一类被称为PFAS的污染物——常被称为“永久化学物质”——在饮用水、野生生物乃至人体血液中累积，因为它们在自然界中几乎不降解。这项研究描述了一种新型光驱动材料，能够几乎完全从水中剥离一些最顽固PFAS的氟原子，将它们转化为无害的小分子，无需强烈化学试剂或昂贵的能量输入。这使其成为更安全、更实用的受污染水源修复的有希望蓝图。

难降解氟化污染物的问题

PFAS（全氟及多氟烷基物质）用于不粘锅、消防泡沫和防污涂层。它们的碳——氟键是化学中最牢固的键之一，这就是PFAS在环境中长期存在并在生物体内积累的原因。两种最广泛存在的PFAS，PFOA和PFOS，现已被归类为对人类有致癌风险，各国已将饮用水限值设定在万亿分之几的级别。不幸的是，大多数能够真正破坏PFAS的方法——如强超声、高温处理或强化学添加剂——仅在高浓度下有效且需消耗大量能量，难以在实际水处理规模上推广。

为极强化学键而生的光驱催化剂

研究人员设计了一种特殊的有机材料，称为TAPP，其可自组装成有序的扁平分子堆叠体。在可见光照射下，这些堆叠体形成一种长寿命的自由基态——分子拥有未配对电子的形式——在空气中能稳定存在超过一周。因为电荷分布在整个分子及其连接的氨基上，这种自由基能吸收第二次光激发并将电子推到极高的能量。那些被激发的电子能量足以攻击PFAS中极其稳定的碳——氟键，这是普通光催化剂无法做到的。

催化剂如何捕捉并拆解PFAS

TAPP颗粒在水中带正电，而PFOS及相关PFAS在一端带负电、另一端为氟化尾链。这种电荷差将污染物吸引到催化剂表面：带负电的头基与质子化的氨基位点发生相互作用，而氟化尾链通过弱吸附作用沿着平面芳香表面排列。在这一“预浓缩”步骤之后，可见光反复激发TAPP。其自由基形式将高能电子直接注入PFAS碳——氟键的反键轨道。额外的电子使PFAS链刚性的螺旋结构失稳，拉伸碳骨架，使单个C–F键更容易断裂。

从致命长链到无害片段

在含有现实污染物浓度（约0.1百万分之一）的精细控制水相实验中，TAPP将溶液中的PFOS去除，并在光照下约两天内将几乎所有氟转化为游离的氟化物离子。详细化学分析显示，原有的PFOS信号消失，取而代之的是甲酸盐、草酸盐和乳酸盐等简单有机酸，催化剂表面上不再残留PFOS。反应早期，研究团队检测到一系列较短的氟化片段，支持了这样的过程图景：电子首先将氟从链上击出，随后被削弱的碳骨架断裂成更小的片段，这些小片段进一步被氧化为无害的终产物。

在真实水体中的表现与节能

为测试实用性，科学家们构建了一个小型户外反应器，模拟污水处理单元。仅靠自然阳光，他们的基于TAPP的系统在三天内完全使加有PFOS的水除氟。即便在存在天然有机物和常见离子的情况下，催化剂仍然表现良好，尽管某些盐类通过竞争表面位点而使反应速度变慢。与其他光驱动PFAS处理方法相比，该方法每体积水的能耗约低90–98%，且避免了有毒金属或额外氧化剂的使用。催化剂在至少五次重复循环中保持活性，仅有极小的效率损失。

这对清除“永久化学物质”意味着什么

这项工作表明，经过精心设计的有机材料可以利用普通可见光产生足够高能的电子来断裂PFAS中最坚固的碳——氟键，同时在简单水相中运行且无需牺牲性化学品。通过结合强吸附能力、长寿命的自由基态和多步光激发，TAPP催化剂将持久的PFAS转化为氟化物和小的无害有机分子。尽管要实现放大并应对各种PFAS仍需时间，这项研究为在饮用水和废水系统中实现太阳能驱动、低成本的“永久化学物质”销毁提供了现实路径。

引用: Chong, M., Zhou, Q., Xu, J. et al. Complete defluorination of PFASs via photocatalytic reduction in water. Nat Commun 17, 3081 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69933-9

关键词: PFAS修复, 光催化, 水处理, 除氟, 环境化学