Редкоземельные элементы – это незаметные герои нашей современной жизни. Они скрываются в смартфонах, подсвечивают светодиодами наши дома и работают внутри электромобилей и ветряных турбин. Но добыча этих критически важных металлов из руд – дело грязное и опасное, традиционно сосредоточенное в Китае, где используются агрессивные кислоты и токсичные растворители. Однако исследователи Национальной лаборатории Сандии нашли экологически чистый способ решения этой проблемы – с помощью удивительных “губок” на молекулярном уровне.
MOF: Губки из микромира
Ключ к решению кроется в металлоорганических каркасах (MOF) – своеобразных “губках” наноразмерного масштаба, созданных учеными. Представьте себе игрушечные конструкторы “Лего”, но вместо пластиковых блоков – металлические “втулки” и углеродные “стержни”-линкеры, которые можно комбинировать, создавая уникальные структуры с различными свойствами.
- Избирательность: Исследователи модифицировали эти MOF, чтобы они избирательно поглощали отдельные редкоземельные элементы, словно магниты притягивают только определенные металлы.
- Настройка “губок”: Химики могут добавлять различные группы к поверхности MOF, подобно тому, как настраивают фильтры для очистки воды. Это позволяет изменять их свойства и направлять адсорбцию конкретных элементов.
Циркониевые “губки” – надежные помощники
В ходе проекта команда сосредоточилась на двух типах MOF на основе циркония, отличающихся высокой прочностью в воде и гибкостью настройки. Исследователи экспериментировали с двумя подходами:
- “Отсутствующие линкеры”: В одном варианте создавались “губки” с пропущенными линкерами, что неожиданно повысило адсорбцию двух редкоземельных элементов.
- Химические группы: Во втором подходе к линкерам прикреплялись различные химические группы, например, аминогруппы или фосфонаты. Добавление фосфоната заметно улучшило адсорбцию всех исследованных металлов.
Удивительно, что в MOF с группами, присоединенными к металлическим центрам, дополнительные химические модификации не сильно повлияли на редкоземельные элементы, но резко повысили селективность по отношению к никелю по сравнению с кобальтом.
Компьютерное моделирование: Виртуальные эксперименты
Чтобы предсказать, как разные MOF будут взаимодействовать с конкретными редкоземельными элементами, специалист по вычислительным материалам Кевин Люнг применил мощный инструмент – компьютерное моделирование. Он провел виртуальные эксперименты, имитируя поведение атомов и молекул в различных условиях.
- Молекулярная динамика: Люнг изучил, как редкоземельные элементы взаимодействуют с водой, другими химическими веществами и поверхностью MOF.
- Теория функционала плотности: Он рассчитал энергию взаимодействия каждого из 14 редкоземельных элементов (от церия до лютеция) с различными модификациями поверхности MOF.
Результаты моделирования подтвердили, что редкоземельные элементы предпочитают связываться с отрицательно заряженными группами, такими как фосфат или сульфат, а не с нейтральными аминами. Более того, Люнг обнаружил тенденцию к предпочтению более тяжелых элементов (например, лютеция) по сравнению с легкими (церий, неодим).
Рентгеновские лучи: “Глаза” для микромира
Чтобы увидеть эти взаимодействия на молекулярном уровне, Анастасия Ильген использовала рентгеновскую спектроскопию. Она просветила MOF с редкоземельными элементами и получила уникальные “рентгеновские снимки”, позволяющие определить точное расположение атомов и химические связи.
Эти данные подтвердили, что редкоземельные элементы связываются с металлическими центрами в обоих типах MOF – как с линкерами, так и без них. Важно отметить, что MOF без дефектов (без “отсутствующих линкеров”) более стабильны и потенциально подходят для многократного использования.
Будущее селективных “губок”
Благодаря накопленным знаниям о взаимодействии редкоземельных элементов с MOF, команда Сандии располагает мощным арсеналом инструментов для создания высокоселективных “губок”.
“Мы можем комбинировать разные типы металлов в металлических узлах MOF, чтобы создать “карманы” для конкретных редкоземельных элементов. Или же фокусироваться на химии поверхностных групп, создавая специфические ловушки для ионов с помощью сильных поверхностных связей.
– Анастасия Ильген
Регулируя размеры пор MOF, можно также изменять местный химический состав в пользу определенных элементов. Это открывает путь к созданию экологически чистых и эффективных технологий для извлечения ценных редкоземельных элементов из руд, сокращая зависимость от традиционных, загрязняющих методов.
