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Electrochemical Reduction of Perfluorooctanoic Acid (PFOA): An Experimental and Theoretical Approach

全氟辛酸 化学 电化学 还原(数学) 环境化学 物理化学 电极 几何学 数学
作者
Jonathan J. Calvillo Solís,Christian Sandoval‐Pauker,Xian-Ming Bai,Sheng Yin,Thomas P. Senftle,D. Villagrán
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (15): 10687-10698 被引量:52
标识
DOI:10.1021/jacs.4c00443
摘要

Perfluorooctanoic acid (PFOA) is an artificial chemical of global concern due to its high environmental persistence and potential human health risk. Electrochemical methods are promising technologies for water treatment because they are efficient, cheap, and scalable. The electrochemical reduction of PFOA is one of the current methodologies. This process leads to defluorination of the carbon chain to hydrogenated products. Here, we describe a mechanistic study of the electrochemical reduction of PFOA in gold electrodes. By using linear sweep voltammetry (LSV), an E0' of -1.80 V vs Ag/AgCl was estimated. Using a scan rate diagnosis, we determined an electron-transfer coefficient (αexp) of 0.37, corresponding to a concerted mechanism. The strong adsorption of PFOA into the gold surface is confirmed by the Langmuir-like isotherm in the absence (KA = 1.89 × 1012 cm3 mol-1) and presence of a negative potential (KA = 3.94 × 107 cm3 mol-1, at -1.40 V vs Ag/AgCl). Based on Marcus-Hush's theory, calculations show a solvent reorganization energy (λ0) of 0.9 eV, suggesting a large electrostatic repulsion between the perfluorinated chain and water. The estimated free energy of the transition state of the electron transfer (ΔG‡ = 2.42 eV) suggests that it is thermodynamically the reaction-limiting step. 19F - 1H NMR, UV-vis, and mass spectrometry studies confirm the displacement of fluorine atoms by hydrogen. Density functional theory (DFT) calculations also support the concerted mechanism for the reductive defluorination of PFOA, in agreement with the experimental values.
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