全氟烷基和多氟烷基物质在可充电锌离子电池中的吸附与利用

研究简介

全氟和多氟烷基物质(PFAS)是与严重健康问题相关的合成氟化有机化合物，凸显了对环境可持续修复策略的迫切需求。本文报道了一种集成的PFAS吸附和利用修复策略，通过在室温下将其加入可充电水性锌电池系统中进行修复。作为一种代表性的PFAS化合物，全氟辛酸(PFOA)通过疏水和静电相互作用成功吸附在锌表面，去除效率超过98%，并在24小时后部分脱氟为氟化锌，使其可用作负极保护层以提高电池性能。该保护层通过抑制枝晶生长和自腐蚀来增强电化学性能，并在各种电流密度(1-10mAcm−2)下在Zn|Zn对称电池中表现出稳定的长期循环。此外，经锌钠处理的氧化钒全电池表现出更高的循环稳定性，在5Ag−1电流密度下循环2500次后容量保持率超过80%，而裸锌的容量保持率低于40%，这表明其性能持久可靠。电池循环后未检测到PFOA残留，表明PFOA已被消耗，确保了环境安全。这项研究凸显了金属基PFAS吸附策略的潜力，它弥合了吸附和利用之间的差距，为将这种持久性水污染物转化为有价值的电池组件提供了创新的解决方案。

图文导读

图1. 锌金属箔存在下PFOA的去除动力学。a)使用金属锌箔去除和利用PFOA的示意图。b)使用锌箔在50°C下对不同孵育时间的含PFOA溶液进行的19FNMR光谱分析。[PFOA]0=2.0gL−1。使用TFE作为内标。图中还显示了PFOA的化学结构。c)25、50和70°C下PFOA去除效率（%，由端基─CF3基团的积分计算得出）和锌表面吸附量（mgg−1）。d)使用拟一级模型对25、50、70°C下PFOA去除率进行非线性拟合。

图2. 锌箔的表面特性。a)在含PFOA溶液中孵育之前和之后，锌箔的横截面SEM和EDS映射。b)不同配置的锌金属对水和PFOA的吸附能（V：垂直配置；H：水平配置）。c)比较裸露的Zn和PFOA吸附的Zn的SEM和水接触角。d)裸露的Zn、PFOA吸附的Zn和在水中浸泡24小时后的Zn的X射线衍射(XRD)图案。e)在PFOA中浸泡24小时并用300秒氩离子溅射的Zn的F1s和Zn2pX射线光电子能谱(XPS)深度剖面。

图3. 锌箔的电化学性能。a)使用裸露的Zn和PFOA吸附的Zn的Zn|Zn对称电池的倍率性能。b-d)使用裸露的Zn和PFOA吸附的Zn进行长期Zn|Zn对称电池循环，电流密度为(b)1mAcm−2、(c)5mAcm−2和(d)10mAcm−2，面积容量为0.5mAhcm−2。e)使用裸露的锌和PFOA吸附的Zn的电池的库仑效率(CE)，以2mAcm−2充电，电压截止为0.6V。f)将平均CE与已报道的作品进行比较。

图4. 腐蚀和电沉积行为研究。a)2m硫酸锌(ZnSO4)电解液中裸锌和PFOA吸附锌的LSV曲线。b)2mZnSO4电解液中裸锌和PFOA吸附锌的塔菲尔图。c)10mAcm−2下裸锌和PFOA吸附锌的镀锌行为的原位光学显微镜可视化。d,e)SEM图像显示10个循环后(d)裸锌和(e)PFOA吸附锌的表面形貌。f,g)10个循环后(f)裸锌和(g)PFOA吸附锌的3D共聚焦激光显微镜图像。h)PFOA、PFOA吸附锌和循环后的PFOA吸附锌表面的傅里叶变换红外光谱(FTIR)。确定了与ZnF2(2931、2655、1604和1018cm−1)相对应的峰。

图5. 使用裸锌和PFOA吸附的Zn作为负极的Zn|NVO的全电池性能。a)使用裸锌和PFOA吸附的Zn作为负极时的循环伏安曲线。b)在0.2至5Ag-1的不同电流密度下的倍率性能。c)在5Ag-1的电流密度下比较裸锌和PFOA吸附的Zn负极的长期循环性能。d)与报道的钒基锌离子电池在不同电流密度下的容量保持率和循环次数的比较。e,f)使用(e)裸锌和(f)PFOA吸附的Zn的恒电流充电/放电曲线。g)19FNMR比较PFOA母液和2500次循环后从全电池中提取的溶液，TFE用作内标。

研究结论

本研究介绍了一种可持续的方法，利用锌金属箔捕获PFAS，并将其重新用作阳极材料以增强电池性能。结果表明，PFAS可以从受污染的水中有效去除，并吸附在锌表面，在那里它会部分分解成ZnF2。将吸附有PFOA的锌箔纳入电池系统可揭示两个重要发现：1）PFAS在锌表面的吸附可改善电化学和电池性能；2）吸附在锌表面的PFAS量在决定整体性能方面起着关键作用。通过改变吸附时间，可以实现不同水平的PFAS负载，吸附时间为1小时（相当于锌表面有0.87mgg−1的PFOA），从而获得优异的性能。与在全电池配置中使用裸锌的电池相比，此条件可延长循环寿命并提高容量保持率（2500次循环中分别为81.1%和39.5%）。值得注意的是，电池循环后未检测到PFOA，确保了环境安全。总而言之，通过利用金属锌的反应性以及在电池系统中引入含氟化合物的优势，这项研究为PFAS的修复提供了一种颇具前景的方法。金属基PFAS吸附作为一种可持续策略的潜力，弥合了PFAS去除与实际利用之间的差距，为将持久性PFAS污染物转化为有价值的电池材料提供了一种创新的解决方案。未来的研究将重点关注Zn与PFOA之间的反应，以全面了解其降解机理。