[해외연구보고서] 미국 라이스대학, 질화붕소가 과불화옥탄산 파괴 촉매 발견

 

 

미국 텍사스주 휴스텬에 있는 라이스 대학교(Rice University)의 화학 엔지니어들은 PFAS(perfluorooctanoic acid; 과불화옥탄산)  '영원히(Forever)'  화학물질을 가장 적게 예상할 수 있는 곳에서 파괴할 수 있는 효율적인 촉매를 발견했다.

라이스 대학교의 마이클 웡(Michael Wong) 교수는 연구원들이 놀라움을 기대하지 않는 과학 실험의 한 부분을 언급하면서“이것이 통제였다”고 말했다. 대조군은 변수를 측정하는 기준선 인 실험 과학의 척도이다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는“우리는 아직 본격적으로 테스트하지는 않았지만 실험실의 벤치 탑 테스트에서 4시간만에 99%의 PFOA를 제거할 수 있었다”라면서 광촉매 촉매 인 질화붕소(boron nitride)에 대해 말했다. 학생들은 우연히 발견되어 1년 이상 시험을 보냈다.

 

 

『미국화학학회지(Environmental Science and Technology Letters)』에서 온라인으로 제공되는 이들의 연구는 이전에 보고된 광촉매보다 빠른 클립에서 질화붕소가 PFOA(과불화옥탄산)를 파괴한다는 것을 발견했다. 

PFOA(과불화옥탄산)는 20 세기에 방수 의류, 식품 포장, 비 점착성 팬 및 수많은 다른 용도를 위해 코팅을 만들기 위해 개발 된 4천개 이상의 화합물 군으로 가장 널리 퍼진 PFAS (perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances; 퍼플 루오로 알킬 및 폴리 플루오로 알킬 물질) 중 하나이다. PFAS는 환경에 머무르는 경향이 있기 때문에 '영원히(Forever)' 화학물질이라고 불려졌으며 과학자들은 신생아를 포함한 거의 모든 미국인의 혈액에서 발견했다.

촉매는 마이클 웡(Michael Wong) 교수의 전문 분야이다. 이들은 반응에 참여하거나 소비하지 않고 화학 반응을 일으키는 화합물질이다. 그의 실험실은 TCE와 질산염을 포함한 여러 오염 물질을 파괴하기 위한 촉매제를 개발했으며, 약 18개월 전에 PFAS를 처리하기 위한 새로운 촉매제를 찾는 팀을 맡았다 고 말했다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는 “우리는 많은 것을 시도했다. 나는 작동할 것으로 생각되는 몇 가지 자료를 시도했다. 그들 중 누구도하지 않았다. 이 기능은 작동하지 않았으며 작동했다”라고 강조했다.

촉매, 질화붕소 분말 또는 BN은 메이크업, 스킨 케어 제품, 컴퓨터 칩 및 기타 소비자 및 산업 제품을 냉각시키는 열 페이스트에 널리 사용되는 시판되는 합성 광물이다.

발견은 PFAS 촉매에 대한 수십 번의 실패한 실험으로 시작되었다. 마이클 웡(Michael Wong) 교수는 자신의 실험실 구성원 두 명에게 중국 칭화대학교 대학원생 리지 두안(Lijie Duan)과 라이스 대학교 대학원생 보왕(Bo Wang)을 방문하여 후보 화합물에 대한 최종 실험을 하도록 요청했다고 말했다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는“이들 중 하나가 광촉매 일 수 있다고 제안한 문헌이 있었는데 이는 특정 파장의 빛에 의해 활성화 될 것”이라면서 "우리는 그룹에서 빛을 자주 사용하지는 않지만, '앞으로 가서 둘러보자.'  태양은 자유 에너지이다. 빛으로 무엇을 할 수 있는지 보자”라고 말했다.

이전과 같이 실험 그룹은 잘 수행되지 않았지만 리지 두안(Lijie Duan)은 질화 붕소 제어에서 특이한 점을 발견했다. 그녀와 마이클 웡(Michael Wong) 교수 예기치 않은 오류, 샘플 준비 문제 및 이상한 결과에 대한 다른 설명을 배제하기 위해 실험을 여러 번 반복했다.  그들은 계속 같은 것을 보았다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는 “이것은 관찰이다. PFOA가 들어있는 물병을 들고 BN 파우더를 던져 밀봉한다. 그게 다야. 수소를 첨가하거나 산소로 제거할 필요가 없다. 우리가 호흡하는 공기, 오염 된 물 및 BN 파우더이다. 자외선에, 특히 254나노미터의 파장을 가진 UV-C 광선에 노출시키고 4시간 후에 다시 들어오면 PFOA의 99%가 불소, 이산화탄소 및 수소로 변환되었다”라고 말했다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는 이어 "문제는 빛이었다. 살균 램프에 일반적으로 사용되는 254나노미터 파장은 너무 작아서 질화 붕소의 밴드 갭을 활성화 할 수 없다. 그것은 의심의 여지없이 사실이지만, 실험은 그것이 불가능하다고 제안했다"라고 덧붙였다.

그는 이어 “빛을 제거하면 촉매 작용을 받지 못한다”고 말했다. 또한 "BN 파우더를 제거하고 빛만 사용하면 반응이 없다"라면서 "따라서 질화 붕소가 254나노미터 UV-C 광을 흡수하는 것이 광학적으로 불가능했음에도 불구하고, 질화붕소는 광을 명확하게 흡수하고 PFOA를 파괴하는 반응을 촉매 화하고 있었다"고 덧붙였다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는“작동하지 않아야 한다”고 말했다. 이어“그래서 아무도 이걸 찾지 않았다고 생각했기 때문에 결과를 발표하는 데 시간이 오래 걸렸다. 이 모순에 대한 설명이 필요했다”라고 설명했다.

그는 “우리 물질은 254 나노미터(nm)의 빛을 흡수한다고 결론을 내렸으며 이는 분말의 원자 적 결함 때문”이라고 말했다. 이어 “결함이 밴드 갭을 바꾼다. 그들은 분말이 PFOA를 씹는 반응성 산화 종을 생성하기에 충분한 빛을 흡수할 수 있을 정도로 축소한다”라고 말했다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는 또 "이같은 원리를 설명을 확인하기 위해 더 많은 실험적 증거가 필요할 것"이라고 말했다. 그러나 PFOA의 결과에 비추어 볼 때, 질화붕소 촉매가 다른 PFAS 화합물에도 작용할 수 있을지 궁금해했다.

'GenX'는 또한 영원한 화학물질다. PFOA가 금지되었을 때 'GenX'는 이를 대체하기 위해 가장 널리 사용되는 화학물질 중 하나였다. 또한 'GenX'가 이전 제품만큼 큰 환경문제가 될 수 있다는 증거가 늘어나고 있다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는“PFOA와 비슷한 이야기이다. 그들은 지금 어디에서나 GenX를 찾고 있다. 그러나 이 둘의 한 가지 차이점은 사람들이 이전에 PFOA를 분해하기위한 촉매로 어느 정도 성공을 거두었다는 것이다. 그들은 'GenX'를 위한 것이 아니다”라고 강조했다

마이클 웡(Michael Wong) 교수와 동료들은 질화붕소 분말도 'GenX'를 파괴한다는 것을 발견했다.  과는 PFOA만큼 좋지 않았다. 244나노미터(nm) 광에 2 시간 노출되면 BN은 수성 시료에서 GenX의 약 20%를 파괴했다. 그러나 마이클 웡(Michael Wong) 교수는 "이 팀에 'GenX'의 촉매 개선 방법에 대한 아이디어가 있다"라고 말했다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는 "이 프로젝트가 이미 라이스 기반(Rice-based) '나노시스템 공학연구센터(Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment ; NEWT)'의 나노시스템 공학연구센터에서 여러 산업 파트너의 관심을 끌고 있다"고 말했다. 

 

NEWT는 국민과학재단(National Science Foundation)이 자금을 지원하는 학제 간 엔지니어링연구센터로, 인명을 보호하고 지속가능한 경제 개발을 지원하는 독립형 수처리 시스템을 개발한다.

마이클 웡(Michael Wong) 교수는“연구는 재미있고 진정한 팀 노력이었다"라면서 "우리는 이것에 대한 특허를 출원했으며, 기술의 추가 테스트 및 개발에 대한 NEWT의 관심은 큰 신뢰의 표이다"라고 설명했다.

추가 연구공동저자로는 라이스대학의 전 연구자인 킴벌리 헥(Kimberly Heck), 수진궈(Sujin Guo), 첼시 클라크(Chelsea Clark), 제이콥 아레돈도(Jacob Arredondo) 및 토머스 센프틀(Thomas Senftle) 등과 중국 칭화대학교의 밍하오 왕(Minghao Wang), 샹화 웬(Xianghua Wen) 및 용휴송(Yonghui Song), 그리고 애리조나 주립대학의 폴 웨스터호프(Paul Westerhoff) 등이다.

이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation; EEC-1449500)과중국장학협의회(China Scholarship Council)의 지원을 받았다.

■ 라이스대학교(Rice University) 소개
휴스턴의 300 에이커에 달하는 삼림 캠퍼스에 위치한 라이스대학교(Rice University)는 미국 뉴스 & 월드 리포트 (US News & World Report)에 의해 전국 20대 대학교 중 하나로 지속적으로 선정되었다. 

라이스대학교(Rice University)는 건축, 비즈니스, 평생 연구, 공학, 인문학, 음악, 자연 과학 및 사회 과학 학교를 높이 평가했으며 베이커 공공 정책 연구소의 본거지이다. 라이스의 학부생 대 교수 비율은 3천962명, 대학원생 3천27명으로 6대1에 불과하다. 

 

[원문보기]

 

Boron Nitride Destroys PFAS 'Forever' Chemicals PFOA, GenX

 

 

Rice University chemical engineers found an efficient catalyst for destroying PFAS “forever” chemicals where they least expected.

“It was the control,” said Rice Professor Michael Wong, referring to the part of a scientific experiment where researchers don’t expect surprises. The control group is the yardstick of experimental science, the baseline by which variables are measured.

“We haven’t yet tested this at a full scale, but in our benchtop tests in the lab, we could get rid of 99% of PFOA in four hours,” Wong said of boron nitride, the light-activated catalyst he and his students stumbled upon and spent more than a year testing.

Their study, which is available online in the American Chemical Society journal Environmental Science and Technology Letters, found boron nitride destroyed PFOA (perfluorooctanoic acid) at a faster clip than any previously reported photocatalyst.

 

 PFOA is one of the most prevalent PFAS (perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances), a family of more than 4,000 compounds developed in the 20th century to make coatings for waterproof clothing, food packaging, nonstick pans and countless other uses.

PFAS have been dubbed forever chemicals for their tendency to linger in the environment, and scientists have found them in the blood of virtually all Americans, including newborns.

Catalysts are Wong’s specialty. They are compounds that bring about chemical reactions without taking part or being consumed in those reactions. His lab has created catalysts for destroying a number of pollutants, including TCE and nitrates, and he said he tasked his team with finding new catalysts to address PFAS about 18 months ago.

“We tried a lot of things,” Wong said. “We tried several materials that I thought were going to work. None of them did. This wasn’t supposed to work, and it did.”

The catalyst, boron nitride powder, or BN, is a commercially available synthetic mineral that’s widely used in makeup, skin care products, thermal pastes that cool computer chips and other consumer and industrial products.

The discovery began with dozens of failed experiments on more likely PFAS catalysts. Wong said he asked two members of his lab, visiting graduate student Lijie Duan of China’s Tsinghua University and Rice graduate student Bo Wang, to do final experiments on one set of candidate compounds before moving on to others.

“There was literature that suggested one of them might be a photocatalyst, meaning it would be activated by light of a particular wavelength,” Wong said. “We don’t use light very often in our group, but I said, ‘Let’s go ahead and doodle around with it.’ The sun is free energy. Let’s see what we can do with light.”

As before, none of the experimental groups performed well, but Duan noticed something unusual with the boron nitride control. She and Wang repeated the experiments numerous times to rule out unexpected errors, problems with sample preparation and other explanations for the strange result. They kept seeing the same thing.

“Here’s the observation,” Wong said. “You take a flask of water that contains some PFOA, you throw in your BN powder, and you seal it up. That’s it. You don’t need to add any hydrogen or purge it with oxygen. It’s just the air we breathe, the contaminated water and the BN powder. You expose that to ultraviolet light, specifically to UV-C light with a wavelength of 254 nanometers, come back in four hours, and 99% of the PFOA has been transformed into fluoride, carbon dioxide and hydrogen.”

The problem was the light. The 254-nanometer wavelength, which is commonly used in germicidal lamps, is too small to activate the bandgap in boron nitride. While that was unquestionably true, the experiments suggested it could not be.

“If you take away the light, you don’t get catalysis,” Wong said. “If you leave out the BN powder and only use the light, you don’t get a reaction.”

So boron nitride was clearly absorbing the light and catalyzing a reaction that destroyed PFOA, despite that fact that it should have been optically impossible for boron nitride to absorb 254-nanometer UV-C light.

“It’s not supposed to work,” Wong said. “That’s why no one ever thought to look for this, and that’s why it took so long for us to publish the results. We needed some sort of explanation for this contradiction.”

Wong said he, Duan, Wang and co-authors offered a plausible explanation in the study.

“We concluded that our material does absorb the 254-nanometer light, and it’s because of atomic defects in our powder,” he said. “The defects change the bandgap. They shrink it enough for the powder to absorb just enough light to create the reactive oxidizing species that chew up the PFOA.”

Wong said more experimental evidence will be needed to confirm the explanation. But in light of the results with PFOA, he wondered if the boron nitride catalyst might also work on other PFAS compounds.

“So I asked my students to do one more thing,” Wong said. “I had them replace PFOA in the tests with GenX.”

GenX is also a forever chemical. When PFOA was banned, GenX was one of the most widely used chemicals to replace it. And a growing body of evidence suggests that GenX could be just as big an environmental problem as its predecessor.

“It’s a similar story to PFOA,” Wong said. “They’re finding GenX everywhere now. But one difference between the two is that people have previously reported some success with catalysts for degrading PFOA. They haven’t for GenX.”

Wong and colleagues found that boron nitride powder also destroys GenX. The results weren’t as good as with PFOA: With two hours exposure to 254-nanometer light, BN destroyed about 20% of the GenX in water samples. But Wong said the team has ideas about how to improve the catalyst for GenX.

He said the project has already attracted the attention of several industrial partners in the Rice-based Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT). NEWT is an interdisciplinary engineering research center funded by the National Science Foundation to develop off-grid water treatment systems that both protect human lives and support sustainable economic development.

“The research has been fun, a true team effort,” Wong said. “We’ve filed patents on this, and NEWT’s interest in further testing and development of the technology is a big vote of confidence.”

Additional study co-authors include Kimberly Heck, Sujin Guo, Chelsea Clark, Jacob Arredondo and Thomas Senftle, all of Rice; Minghao Wang, Xianghua Wen and Yonghui Song, all of Tsinghua University; and Paul Westerhoff of Arizona State University.

The research was supported by the National Science Foundation (EEC-1449500) and the China Scholarship Council.

 

Rice University
Located on a 300-acre forested campus in Houston, Rice University is consistently ranked among the nation’s top 20 universities by U.S. News & World Report. Rice has highly respected schools of Architecture, Business, Continuing Studies, Engineering, Humanities, Music, Natural Sciences and Social Sciences and is home to the Baker Institute for Public Policy.

 

With 3,962 undergraduates and 3,027 graduate students, Rice’s undergraduate student-to-faculty ratio is just under 6-to-1. Its residential college system builds close-knit communities and lifelong friendships, just one reason why Rice is ranked No. 1 for lots of race/class interaction and No. 4 for quality of life by the Princeton Review. Rice is also rated as a best value among private universities by Kiplinger’s Personal Finance.

 

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/boron-nitride-destroys-pfas-forever-chemicals-pfoa-genx-0001) / 2020년 7월 10일]