北京
稀土元素几乎长着同一张“化学脸”。
你的电动汽车电机里有镧，LED灯里有钕，医院的磁共振仪里有镝。这17种元素——包括15种镧系金属外加钪和钇——很少单独成矿，它们总是混在一起被开采出来，再在一个以酸和毒性溶剂为基础的纯化流程中被强行分开。
要把这些化学性质几乎完全相同的元素彼此分开，传统做法不得不依赖大量定制分子和浓酸，用酸去逐个把吸附在分子上的目标元素“洗掉”。整个流程成本高、污染大，一直是稀土供应链上最不透明也最不环保的一环。
现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）刘冲副教授团队拿出了一套截然不同的思路：不是用酸去“洗”，而是借助一种层状氧化锰材料，让稀土离子在细小的原子通道中有序进出，利用微小的离子尺寸差异把它们区分开。这项成果发表在《自然·化学工程》上，合作方包括西北大学和阿贡国家实验室。
“这是首次有人使用电化学插层方法，并且利用材料的结构特性，去分离本身就极难被分开的类似镧系元素，”刘冲在论文发表后说，“此外，我们还提供了大量关于稀土离子如何与这种材料相互作用的新认识，以及如何操控它以获得更好的选择性。”
氧化锰的这种层状结构，在原子尺度上形成了恰好能让离子出入的通道。不同稀土离子的半径和酸度有细微差别，这些差别在离子进入和离开材料层间的过程中被放大，从而实现了分离。整道工序在水相中完成，没有用到有机溶剂。
西北大学化学教授、论文共同作者乔治·沙茨（George Schatz）指出：“这种分离方式和其他稀土分离方法相比是有竞争力的，但整个流程是在水里完成的，不用有机溶剂。这种差别一旦放到工业级规模，可能会真正产生实质影响。”
从实验室到工厂，清洁分离的工艺能否在成本、效率和规模化上同时达标，还有待验证。但一条不用酸、不靠有机溶剂的稀土分离路线，至少已经在一块氧化锰的原子通道里跑通了第一步。
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