稀土元素,被称为“工业维生素”,是支撑现代高科技产业的基石。从电动汽车的电池、风力发电机到智能手机和先进的医疗设备,几乎所有尖端技术都离不开这些关键材料。然而,稀土元素的提取和纯化过程却极其复杂、耗能巨大,并且常常涉及大量的化学溶剂,对环境造成污染。在全球贸易局势日益紧张的背景下,寻找更高效、更清洁的稀土提取技术,成为了各国加强本土供应链的关键。
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最近,来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家团队,受到大自然的启发,开发出一种全新且更高效的方法来分离和收集稀土元素。这项技术的关键在于模仿生物体中天然蛋白质的运输系统,创造出人工膜通道(artificial membrane channels)。
在生物学中,这些天然通道就像细胞的“守门员”,拥有高度的选择性,只允许特定的离子通过,同时阻挡其他离子,这是大脑处理信息等许多复杂生物功能的基础。研究团队正是借鉴了这一精妙机制,设计出具有纳米级孔隙的人工膜通道。
这些人工通道的核心是一种经过修饰的分子结构,可以有效结合并阻挡钾、钠、钙等常见离子,同时精确地运输特定的稀土离子。研究人员利用这种通道,成功地实现了对中等稀土元素(如用于照明和绿色能源技术的铕Eu³⁺和铽Tb³⁺)的选择性运输。中等稀土元素因其在风力涡轮机和电动汽车电池中的重要作用,被美国能源部和欧盟委员会列为关键材料,面临供应中断的风险。
这项技术的效率提升是惊人的。在实验中,人工通道对铕的选择性,相比轻稀土元素镧(Lanthanum)高出40倍,相比重稀土元素镱(Ytterbium)高出30倍。这种高选择性远远超过了传统依赖数十个步骤的溶剂萃取法。这意味着,原本难以或效率低下的稀土来源,现在可以通过这种新方法进行经济有效的利用。
通过先进的计算机模拟,科学家们还揭示了这种高选择性的秘密:它是由稀土离子与通道之间独特的水介导相互作用驱动的。简单来说,通道可以根据离子周围水分子(即水合动力学)的不同动态和相互作用,来精确地区分不同种类的稀土离子,从而实现精准的筛选。
这项耗时超过五年的研究,不仅是基础化学和工程学领域的重大突破,更具有重大的产业意义。研究人员计划将这项膜通道技术整合到可扩展的工业系统中使用,目标是在美国本土更容易地进行离子分离,并且整个过程可以利用清洁能源驱动。更进一步,该平台未来还有潜力扩展到锂、钴、镓、镍等其他关键矿物的提取和回收,为全球能源转型和供应链安全提供一个可持续、高效率的解决方案。
参考资料:DOI:10.1021/acsnano.4c17675
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