Naukowcy odkryli ligand, który dostosowuje się do otoczenia, usprawniając oczyszczanie metali ziem rzadkich. Odkrycie to może usprawnić obecne metody separacji, zmniejszając koszty i wpływ na środowisko, zapewniając jednocześnie bardziej wydajne oczyszczanie lantanowców.
Naukowcy z Laboratorium Krajowego w Oak Ridge przy Departamencie Energii odkryli chemicznego „kameleona”, który może usprawnić proces oczyszczania metali ziem rzadkich wykorzystywanych w czystej energii, medycynie i bezpieczeństwie narodowym.
Badanie przeprowadzone we współpracy z Uniwersytetem Vanderbilt jest najnowszym z wielu wysiłków Wydziału Nauk Chemicznych ORNL mających na celu obniżenie barier w dostępie do metali zwanych lantanowcami, które są szeroko stosowane w różnorodnych produktach i zastosowaniach, od obrazowania biomedycznego po przemysłową produkcję chemiczną po elektronikę . Jest 15 lantanowców, które wraz z dwoma innymi pierwiastkami są wspólnie nazywane metalami ziem rzadkich.
Wbrew temu, co sugeruje ich nazwa, większość metali ziem rzadkich w rzeczywistości nie jest rzadka; lantanowce występują naturalnie w złożach rud mineralnych, a wiele z nich występuje w środowisku tak samo powszechnie jak miedź i ołów. Jednak potężne właściwości metali, które powodują, że są one tak szeroko stosowane, będą funkcjonalne tylko wtedy, gdy pojedynczy lantanowiec zostanie oddzielony od mieszaniny innych metali, w których jest obecny podczas wydobycia. Wybrany metal musi zostać oczyszczony do wysokiego poziomu, zanim stanie się użyteczny w zamierzonym zastosowaniu. Rzadkość polega na trudności tego procesu.
Wyzwania związane z oddzielaniem lantanowców
„To duże wyzwanie, ponieważ jony lantanowców są bardzo podobne pod względem wielkości i właściwości chemicznych” – powiedział Subhamay Pramanik, były doktorant w ORNL, a obecnie radiochemik w grupie Nanomaterials Chemistry ORNL. „Różnią się tylko w najmniejszym stopniu, dlatego izolowanie czystych pojedynczych lantanowców wymaga bardzo precyzyjnej nauki o separacji”.
Aby wyizolować wybrany metal z roztworów minerałów ziem rzadkich, naukowcy i przemysł wykorzystują ligandy — związki chemiczne, które selektywnie wiążą się z określonym metalem w roztworze. Związki te miesza się z rozpuszczalnikiem organicznym, a następnie miesza z wodnym roztworem mieszaniny lantanowców. Podobnie jak olej, rozpuszczalniki organiczne nie mieszają się z wodą, więc warstwy się rozdzielają. Jeśli związek skutecznie wychwytuje metal docelowy z roztworu podczas mieszania, wciąga metal do warstwy organicznej, gdy rozpuszczalnik i roztwór wodny rozdzielą się. Następnie metal można poddać obróbce i dalszemu oczyszczaniu.
Najlepsze obecnie procesy separacji przemysłowej zachodzą etapami, przy czym lantanowce oddzielane są w określonej kolejności — ciężkie do lekkich lub lekkie do ciężkich. Proces ten jest czasochłonny i kosztowny, a także wytwarza wiele odpadów, które nie zawsze są przyjazne dla środowiska.
Odkrycie liganda kameleona
Wejdź do kameleona. Badając istniejący ligand podobny do związków stosowanych we wspomnianym procesie, naukowcy odkryli coś wyjątkowego: ligand, który zachowuje się inaczej w zależności od warunków eksperymentalnych. Podobnie jak kameleon zmienia kolor, aby dostosować się do otoczenia, tak związek zmienia swoje zachowanie, gdy zmienia się otoczenie, wiążąc się z różnymi lantanowcami w zależności od kwas stężenie roztworu i czas, przez jaki ligand może z nim oddziaływać. Na przykład, jeśli środowisko jest bardziej kwaśne, ligand preferencyjnie wiąże się z cięższym lantanowcem.
„W typowych systemach separacji ligand zwykle preferuje lżejsze lub cięższe lantanowce” – powiedziała Santa Jansone-Popova z ORNL, która była współkierownikiem badania. „Odkryliśmy, że tego samego związku można używać do wykonywania wielu różnych separacji, co jest ekscytujące i wyjątkowe. I zidentyfikowaliśmy mechanizmy, dzięki którym to robi.
Potencjalne korzyści liganda kameleona
Użycie tego samego związku do rozdzielenia szeregu wielu różnych lantanowców może zmniejszyć liczbę etapów potrzebnych w tym powszechnym i kosztownym procesie. Co więcej, w zależności od warunków, ligand w tym badaniu mógł oddzielić najcięższe, najlżejsze i średniej masy lantanowce – w dowolnej kolejności.
Inne ligandy nie wykazują takiego samego zachowania. Jednak aż do teraz naukowcy nie wiedzieli, że i ten będzie. Ligand kameleona wygląda podobnie do innych dobrze znanych ligandów, ale zachowuje się zupełnie inaczej. Teraz, gdy wiadomo, że takie możliwości i systemy istnieją w przypadku związków wiążących lantanowce, ligand można badać głębiej i można będzie odkryć więcej związków o podobnym zachowaniu.
„Tylko dlatego, że struktura ligandu wygląda bardzo podobnie do innego, nie musi on zachowywać się tak samo, a zrozumienie tego porusza igłę i przesuwa granice tego, co znane” – powiedział Ilja Popovs z ORNL, który współkierował badaniem . „Ma potencjał, aby procesy separacji były szybsze, czystsze i lepsze – zmniejszając liczbę etapów, zapewniając lepszą selektywność i czystość oraz prowadząc do procesów bardziej przyjaznych dla środowiska”.
Odniesienie: „Zachowanie podobne do kameleona liganda tetradentate umożliwia rozpoznawanie określonych lantanowców” autorstwa Subhamay Pramanik, Bo Li, Darren M. Driscoll, Katherine R. Johnson, Barbara R. Evans, Joshua T. Damron, Alexander S. Ivanov, De-en Jiang, Jeffrey Einkauf, Ilja Popovs i Santa Jansone-Popova, 13 sierpnia 2024 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
DOI: 10.1021/jacs.4c07332
Praca ta była sponsorowana przez programy Biura ds. Separacji Nauki i Chemii Materiałów DOE. Części prac wykorzystano w dwóch obiektach użytkownika Biura Naukowego DOE: Advanced Photon Source w Argonne National Laboratory i National Synchrotron Light Source II w Brookhaven National Laboratory.
