研究人员发现了一种多功能化学剂——被称为“变色龙”，它可能增强稀土金属的提纯过程。这些金属在清洁能源、医疗保健和国家安全领域发挥着关键作用。来自能源部下属的橡树岭国家实验室的一个团队揭示了一种化学“变色龙”，可能会彻底改变我们提纯对于清洁能源、医疗应用和国家安全至关重要的稀土金属的方式。
这项研究与范德比尔特大学合作进行，是橡树岭国家实验室化学科学部旨在简化稀土金属提取工作的持续项目的一部分。这些金属在许多产品中都有出现，从医学成像工具到工业化学品和电子产品。稀土金属由15种镧系元素以及其他两种元素组成。
尽管名字中带有“稀”，稀土金属实际上并不稀有；镧系元素自然存在于矿物沉积中，和铜、铅一样常见。然而，要利用这些金属的独特性质进行实际应用，必须将它们从矿石中的其他金属中分离出来。这个提纯过程具有挑战性且资源密集，这才是真正的稀有之处。
“挑战在于，镧系离子的大小和化学性质非常相似，”前橡树岭国家实验室博士后研究员、现任橡树岭国家实验室纳米材料化学组放射化学家的Subhamay Pramanik指出。“它们仅有微小差异，使得精确分离对孤立纯镧系元素至关重要。”
为了从含有稀土矿物的溶液中提取特定金属，科学家和工业专业人士利用配体——与特定金属结合的化合物。这些配体与有机溶剂结合，然后与镧系混合物的水基溶液混合。类似于油与水不相混合，这个混合物分成了层次，成功的配体将目标金属拉入有机层，从而便于后续处理。
目前，效率高的工业分离方法需要多个阶段按特定顺序提取镧系元素——要么从重的到轻的，或者反之。这个方法耗时长、成本高，并产生大量废物，往往对环境有害。
这就是变色龙发挥作用的地方。在研究一种与常用化合物相似的现有配体时，科学家们做出了一个有趣的发现：这种配体根据实验条件表现出不同的行为。就像变色龙适应其颜色一样，这种配体根据溶液的酸度和相互作用时间等因素改变其结合偏好。例如，更酸性的环境会使配体更容易与较重的镧系元素结合。
“在典型的分离方法中，配体一般偏好较轻或较重的镧系元素，”共同主导这项研究的橡树岭国家实验室的Santa Jansone-Popova解释道。“然而，我们发现同一种配体可以用于不同的分离，这既令人兴奋又新颖。我们还确定了这些行为背后的机制。”
利用单一化合物进行多种镧系元素的分离可以显著降低这一成本高昂过程的复杂性。此外，根据环境条件，配体可以以任意顺序分离最重、最轻或中等重量的镧系元素。
与其他配体不同，这种配体表现出以前未被识别的行为。它与已知配体共享结构相似之处，但其作用方式却大相径庭。既然在镧系结合化合物中已经发现了这种功能的潜力，进一步的研究可能会揭示出更多具有类似能力的配体。
“仅仅因为一种配体看起来像另一种，并不意味着它们会以相同的方式行事。这种新的理解拓展了我们的知识前沿，”共同主导这项研究的Ilja Popovs说道。“这一发现有望通过减少步骤、增强选择性和纯度以及改善环境结果，使分离过程更快、更绿色和更高效。”
这项研究得到了能源部科学办公室的资助，特别是其分离科学与材料化学项目的支持。该研究的部分内容利用了由能源部科学办公室资助的设施，包括阿贡国家实验室的先进光源和布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II。
