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Imparting Selective Fluorophilic Interactions in Redox Copolymers for the Electrochemically Mediated Capture of Short-Chain Perfluoroalkyl Substances

化学 胺气处理 氧化还原 电化学 组合化学 分子动力学 共聚物 侧链 化学工程 电极 有机化学 聚合物 计算化学 工程类 物理化学
作者
Anaira Román Santiago,Yin Song,Johannes Elbert,Jiho Lee,Diwakar Shukla,Xiao Su
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (17): 9508-9519 被引量:50
标识
DOI:10.1021/jacs.2c10963
摘要

With increasing regulations on per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) across the world, understanding the molecular level interactions that drive their binding by functional adsorbent materials is key to effective PFAS removal from water streams. With the phaseout of legacy long-chain PFAS, the emergence of short-chain PFAS has posed a significant challenge for material design due to their higher mobility and hydrophilicity and inefficient removal by conventional treatment methods. Here, we demonstrate how cooperative molecular interactions are essential to target short-chain PFAS (from C4 to C7) by tailoring structural units to enhance affinity while modulating the electrochemical control of capture and release of PFAS. We report a new class of fluorinated redox-active amine-functionalized copolymers to leverage both fluorophilic and electrostatic interactions for short-chain PFAS binding. We combine molecular dynamics (MD) simulations and electrosorption to elucidate the role of the designer functional groups in enabling affinity toward short-chain PFAS. Preferential interaction coefficients from MD simulations correlated closely with experimental trends: fluorination enhanced the overall PFAS uptake and promoted the capture of less hydrophobic short-chain PFAS (C ≤ 5), while electrostatic interactions provided by secondary amine groups were sufficient to capture PFAS with higher hydrophobicity (C ≥ 6). The addition of an induced electric field showed favorable kinetic enhancement for the shortest PFAS and increased the reversibility of release from the electrode. Integration of these copolymers with electrochemical separations showed potential for removing these contaminants at environmentally relevant conditions while eliminating the need for chemical regeneration.
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