- Источник:
ChatGPT
Редкоземельные элементы обладают уникальными магнитными и электронными свойствами, из-за чего их крайне сложно заменить в самых разных сферах — от производства постоянных магнитов до аэрокосмической отрасли и медицины.
Так, неодим и диспрозий используются в мощных постоянных магнитах для электромобилей, ветрогенераторов и беспилотных летательных аппаратов, а гадолиний применяется в аппаратах для МРТ. Извлечение этих элементов из промышленных сточных вод — непростая задача, особенно учитывая, что в таких стоках зачастую присутствуют гораздо более высокие концентрации других металлов.
Исследователи из Университета Райса (США), статья которых опубликована в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, разработали ультрапористый материал, способный извлекать ценные редкоземельные элементы из промышленных стоков.
В основе метода лежат металлорганические каркасные структуры (MOF) — материалы, за разработку которых была присуждена Нобелевская премия по химии 2025 года. Они состоят из ионов металлов и органических молекул, образующих чрезвычайно пористые структуры.
Для решения проблемы избирательного захвата редкоземельных элементов ученые использовали устойчивый к воздействию воды металлорганический каркас MIL-101. Они модифицировали его с помощью молекулы фосфонометилиминодиуксусной кислоты (PMIDA). Внутри наноразмерных пор каркаса молекулы PMIDA работают как своего рода химические крючки, образуя прочные связи с положительно заряженными ионами редкоземельных металлов.
В ходе экспериментов ученые варьировали количество добавляемой в структуру PMIDA, чтобы определить, как плотность этих центров связывания влияет на эффективность материала. Свои эксперименты исследователи дополнили компьютерным моделированием, которое позволило изучить, как ионы редкоземельных металлов и молекулы PMIDA располагаются внутри пор.
Результаты выявили важный принцип: увеличение количества PMIDA не просто приводило к пропорциональному росту емкости материала. Напротив, более высокая концентрация лиганда (добавки) позволяла нескольким связывающим группам координироваться вокруг отдельных ионов редкоземельных металлов, образуя внутри пор более прочные и стабильные химические комплексы. Дополнительное моделирование подтвердило, что по мере увеличения содержания PMIDA связь в этих комплексах становилась все более прочной.
При максимальном из протестированных уровней содержания PMIDA материал поглощал до 160 миллиграммов неодима, 175 миллиграммов гадолиния и 195 миллиграммов диспрозия на один грамм материала. Эти показатели емкости оказались как минимум вдвое выше значений, ранее зафиксированных для того же самого водостойкого металлорганического каркаса в аналогичных условиях.
Еще один многообещающий результат был получен, когда исследователи добавили в систему железо — распространенный загрязнитель, содержание которого в промышленных отходах может многократно превышать концентрацию редкоземельных элементов.
Даже при концентрации железа, в 100 раз превышающей концентрацию редкоземельных элементов, его влияние на процесс их адсорбции оказалось минимальным. В одном из экспериментов эффективность поглощения редкоземельных металлов снизилась всего на 0,3% по сравнению с показателями в отсутствие железа.
Это важно, поскольку эффективные технологии извлечения должны позволять выделять редкоземельные элементы из смеси, содержащей гораздо большее количество нежелательных веществ (например, железа).
Исследователи также установили, что большую часть захваченных редкоземельных элементов впоследствии можно извлечь из металлорганического каркаса с помощью разбавленной соляной кислоты. Это позволяет собрать ценные металлы, а сам материал — использовать повторно.
