С целью разработки более эффективных способов переработки этих металлов новое исследование лаборатории Эрика Шелтера описывает новый подход к разделению смесей редкоземельных металлов с помощью магнитного поля. Подход, опубликованный в Angewandte Chemie International Edition, позволил удвоить эффективность разделения и является отправной точкой на пути к более чистой и циркулирующей экономике редкоземельных металлов.
Стандартный подход к разделению смесей элементов заключается в проведении химической реакции, которая заставляет один из элементов менять фазу, например переход от жидкости к твердому телу, что позволяет разделять элементы с использованием физических методов, таких как фильтрация. Такой подход используется для разделения редкоземельных металлов; смеси помещаются в раствор кислоты, и органическое соединение и отдельные ионы металлов медленно перемещаются из кислой фазы в органическую фазу с различной скоростью в зависимости от химических свойств металла.
Что сложно, так это то, что многие химические свойства, такие как растворимость или то, как они реагируют с другими элементами, очень похожи между редкоземельными металлами. Отсутствие сильного химического различия означает, что разделение редкоземельных металлов – это трудоемкий и энергоемкий процесс, который также приводит к образованию значительного количества кислотных отходов. «Это хорошо работает, когда вы делаете это 10 000 раз, но каждый отдельный шаг малоэффективен», – говорит Шелтер.
Чем отдельные редкоземельные металлы действительно различаются, так это их парамагнетизм или степень их притяжения к магнитным полям.
Исследователи были заинтересованы в поиске способов использования парамагнетизма для выделения различных редкоземельных элементов, но предыдущие усилия не нашли способов связать парамагнетизм с химической реакцией или фазовым сдвигом.
Ключевое открытие заключалось в том, что сочетание магнитного поля с понижением температуры заставляло ионы металлов кристаллизоваться с разной скоростью. Кристаллизация элементов путем понижения температуры – широко используемый подход в лаборатории, но масштабы ее воздействия были неожиданными. «Мы используем более низкие температуры для кристаллизации многих наших материалов», – объясняет постдокторант Роберт Хиггинс, руководивший исследованием. "Это была одна из тех вещей, которые я потенциально мог использовать, но вначале не понимал, насколько это важно на самом деле."
Используя этот подход, исследователи могут эффективно и выборочно отделять тяжелые редкоземельные элементы, такие как тербий и иттербий, от более легких металлов, таких как лантан и неодим. Самым поразительным результатом был прием смеси лантана и диспрозия 50/50 и возвращение 99%.7% диспрозия за один прием – «100% повышение» по сравнению с тем же методом, но без использования магнита.
Поскольку химические механизмы существующих подходов к разделению недостаточно изучены, исследователи надеются, что их систематический подход может превратить технологии разделения металлов из «волшебных» в нечто более управляемое, конкурентоспособное и экономически эффективное. «Если бы вы могли рационально разработать способы улучшения разделения металлов, это было бы огромным преимуществом», – говорит Шелтер. «Наша позиция заключается в решении нишевых приложений, связанных с химическим разделением, с использованием подхода, который может быть применен к новым системам разделения в дополнение к существующим технологиям."
Сейчас Хиггинс ищет способы повысить эффективность реакции, изучая, как магнитные поля взаимодействуют с этими химическими растворами.
Он рассматривает это исследование и другие фундаментальные открытия в области химии как важный первый шаг к тому, чтобы сделать переработку редкоземельных металлов более эффективной и устойчивой. «Чем быстрее мы сможем найти новые способы более эффективного разделения, тем быстрее мы сможем решить некоторые геополитические и климатические проблемы, связанные с добычей и переработкой редкоземельных элементов», – говорит Хиггинс.
Это исследование было поддержано U.S. Министерство энергетики, Управление науки, Управление фундаментальных энергетических наук, программа разделения и анализа, грант DE-SC0017259.
Хиггинс поддерживается программой научных стипендий NatureNet.