全氟和多氟烷基物质（PFAS）因其卓越的化学稳定性和疏水性被广泛用于工业和消费品，但也因其在环境中极难降解而被统称为“永久化学品”。这些物质与癌症和免疫受损等健康问题密切相关。

关键问题

目前，PFAS的降解主要存在以下问题：

1、现有方法条件苛刻且矿化不完全

当前降解路线依赖高温或腐蚀性环境，易生成短链烷基链终产物，且往往导致脱氟不完全，产生更难处理的短链副产物。

2、水相电还原效率受限

在水溶液中，析氢反应（HER）往往优先于PFAS还原发生，且水中的质子或氧气会清除活性电子，导致降解效率极低且需严苛的无氧条件。

新思路

有鉴于此，芝加哥大学Chibueze V. Amanchukwu等人开发了一种利用活性金属和高度还原环境的电化学降解过程。作者证明，电沉积锂金属可以使全氟辛酸（PFOA）降解95%，并有94%脱氟转化为LiF，且不产生任何C₂-C₆短链PFAS作为终产物。利用计算模拟，发现从锂到全氟辛酸的电子转移导致了C-F键的快速断裂、氟化物的形成和碳链碎片化。作者将范围扩大到其他PFAS化合物，并在超过22种不同的PFAS上展示了显著的降解程度，以及完全矿化为无机氟化物。最后，我们利用矿化得到的F⁻作为氟源，合成了氟化的非PFAS化合物，完成了从废物到高价值产品的循环氟回路。

技术方案：

1、提出利用锂金属的高还原性降解PFAS

研究者受锂电池SEI启发，利用锂金属降解PFAS，通过XPS和¹⁹F NMR确证LiF生成，开发电化学过程增强降解效果，锂介导电还原显著优于直接电还原。

2、研究了电化学降解性能

在常温常压下，使用LiClO₄/DMSO电解液电化学降解PFOA，降解率95.3%，脱氟率94.1%，主要产物为LiF和微量TFA，降解效率随电流密度增加而提升。

3、从分子层面揭示了降解机制

DFT和AIMD模拟揭示PFAS降解机制：还原条件下，电子快速转移致C-F键断裂，高介电常数溶剂促进彻底降解，氧化条件效果不佳。

4、验证了应用范围扩展与价值化

ReMADE工艺降解22种PFAS超70%，长链更易降解，钾金属也有效，氟资源化合成ESF，可助力循环氟经济。

技术优势：

1、开发的ReMADE技术实现了PFAS的温和降解

作者提出了“活性金属辅助电还原降解”（ReMADE）工艺，在常温常压下利用电沉积锂金属实现了PFOA的高效脱氟（94%）和降解（95%），避免了短链副产物的生成。

2、首次展示了将PFAS降解产物无机氟化物回收

本文首次展示了将PFAS降解产物无机氟化物（如KF）回收，并成功用于合成非PFAS的高价值氟化产品（如乙烷磺酰氟ESF），构建了从废物到产品的闭环氟经济。

技术细节

工艺原理与概念验证

研究者受锂电池中氟化电解质在负极表面发生还原分解并形成固体电解质界面（SEI）的启发，提出利用锂金属的高还原性降解PFAS。实验首先验证了锂金属与10 mM PFOA在不同溶剂（如DMSO、碳酸酯等）中的化学反应。XPS和¹⁹F NMR结果确证了LiF的生成，其中DMSO溶剂表现出最高的LiF比例和良好的氟离子溶解度。研究发现，锂金属表面与PFAS的相互作用是反应驱动力，但化学反应受限于表面积及产物钝化。因此，研究者开发了电化学过程，通过连续电沉积产生新鲜的锂金属表面来增强降解效果。实验对比了无锂条件下的直接电还原（DE），结果显示锂介导的电还原（LME）在降解率和脱氟率上均显著优于DE，证明了活性金属在还原过程中的核心作用。

图  用于PFAS降解的ReMADE工艺

图  PFOA和锂之间的化学反应概念验证

电化学降解性能研究

在常温常压下，使用LiClO₄/DMSO电解液进行电化学降解，PFOA的降解率可达95.3%，脱氟率达94.1%，产物主要是LiF和微量三氟乙酸（TFA），无其他短链PFAS生成。研究发现，降解效率随电流密度的增加而提升，在40-50 mA cm⁻²下达到最佳，这归因于高电流下形成的锂沉积物具有更大的活性表面积和多孔形态。此外，电解质的选择至关重要，实验表明那些在电池研究中被视为“劣质”（库仑效率低）的电解质（如DMSO基）反而有利于PFAS降解，因为它们能促进更剧烈的界面反应。该过程展现出良好的稳健性，即使在空气暴露或含水环境下仍能保持较高的降解效率。

图  负偏压和锂离子在PFOA降解中的作用

图  反应参数对PFOA降解的影响

理论计算与机制分析

通过密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学（AIMD）模拟，研究从分子层面揭示了降解机制。在还原条件下，大量电子（约14-16个）从锂表面快速转移到PFOA分子上，导致C-F键在极短时间内（约0.0325 ps）发生阶梯式断裂并形成F⁻。模拟显示，DMSO等高介电常数溶剂能显著促进电荷转移，使碳链完全碎片化，最终生成LiF、CO₂、CO及短链烃类碎片。自旋密度分析证实了瞬态碳中心自由基的形成，这些中间体极不稳定，会迅速进一步断裂。相比之下，氧化条件下的降解过程缓慢且不彻底，进一步印证了强还原环境对PFAS彻底降解的必要性。

图  退化范围

应用范围扩展与价值化

研究将ReMADE工艺应用于33种不同类型的PFAS，其中22种降解率超过70%726。实验发现长链PFAS（如PFUnA）比短链（如PFBA）更容易降解，这与其更强的疏水性和界面吸附能力有关。除了锂，钾金属电化学系统也被证明有效。更具创新性的是，研究者实现了氟的资源化利用：将PFOA降解产生的氟化物分离，以其为氟源成功合成了非PFAS化合物乙烷磺酰氟（ESF），收率与商业氟化钾相当。这一过程展示了将环境污染物转化为高价值化学品的潜力，为实现循环氟经济提供了可行路径。

图  PFAS对非PFAS产品的价值评估

展望

本研究开发的ReMADE工艺利用锂金属电沉积产生的强还原环境，在常温常压下实现了PFOA等多种PFAS的高效降解与深度脱氟，解决了传统方法条件苛刻、副产物多及水相干扰等难题。通过多物理场模拟揭示了超快电子转移诱导的C-F键断裂机制，并成功演示了从PFAS废物到非PFAS价值产物的循环路径。该工作颠覆了电池领域“抑制界面反应”的传统逻辑，将其转化为环境治理的优势，为处理卤代污染物提供了全新的电化学范式。

参考文献：

Sarkar, B., Kumawat, R.L., Ma, P. et al. Lithium metal-mediated electrochemical reduction of per- and poly-fluoroalkyl substances. Nat. Chem. (2026).

 https://doi.org/10.1038/s41557-025-02057-7

来源：纳米人