稀土元素如镧、钕和镝被用于制造您汽车中的电动机、您家中的LED灯以及您医生办公室的MRI机器。但首先，它们必须被开采并相互分离。历史上，这种纯化过程一直是困难且昂贵的，依赖于大量有毒化学品。现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）周忠教授的研究团队与西北大学和阿贡国家实验室的同事合作，发现了一种更清洁的稀土元素分离方法。这种新方法依赖于分层的氧化锰——一种具有合适尺寸层叠的矿物材料，可以让离子进出，从而区分稀土元素。“这是人们首次使用电化学插层并利用结构特征来分离类似的镧系元素，这些元素本质上非常难以分离，”新研究的资深作者Liu说，研究发表在《自然化学工程》上。“同样有价值的是，我们提供了许多关于稀土离子如何与该材料相互作用以及我们如何操控它以更好选择性的全新理解。”西北大学化学教授、该研究的共同作者George Schatz表示：“这种分离方法在与其他稀土分离方法的竞争中具有优势，它是在水中进行的，无需有机溶剂。这种不同在制造规模上可能真正是重要的。”这是人们首次使用电化学插层并利用结构特征来分离类似的镧系元素，这些元素本质上非常难以分离。助理教授周忠，研究的资深作者。通过通道挤压元素。17种稀土元素——包括15种镧系元素，加上钪和钇——很少单独存在。它们几乎总是一起被开采，从化学上讲几乎是相同的，只有离子大小和酸度的微小差异使其区分开来。将它们分开通常需要定制分子和大量酸，这些酸用于从这些分子中剥离每种元素。“稀土元素总是混合在一起，无论是矿石中还是在废物流中，即使在将它们从其他物质中分离出来之后，彼此之间的分离仍然是一个第二个非常具有挑战性的步骤，”UChicago PME的研究生刘嘉东说，他是新论文的共同第一作者。周忠教授及其同事知道，稀土离子之间的一个差异是在溶液中溶解时围绕每个离子的水壳的大小。较轻的稀土如镧具有较大的第一水壳，而较重的稀土如镝则具有较小的第一水壳。利用这种大小差异，周忠一组对氧化锰进行了工程设计，使其堆叠层之间的间隙仅宽几分子水。然后，他们将未处理的稀土元素混合物挤入其中。这种方法将元素分为两组。具有较小水壳的较重镧系元素紧密地卡在通道中。具有较大壳的较轻镧系元素则将层推开，松开了它们的抓握。为了确认分子级别上发生的情况，UChicago PME团队与西北大学的Schatz小组合作，通过一种称为密度泛函理论的方法进行量子机械模拟，该理论预测原子如何根据基本物理原理排列和相互作用。他们还与阿贡科学家合作获得实验X射线数据。“看到我们的密度泛函理论计算与同步辐射X射线测量非常接近的结果，真是令人难以置信的收获，”共同第一作者的全宇哲说，他在西北大学Schatz实验室进行该研究时担任博士后研究员。“这些计算让我们一个原子一个原子地看到每种稀土元素在受限通道内如何排列其水合壳，这是实验无法直接分辨的。”微调纯化过程。虽然这一新过程分别提取了最重和最轻的稀土元素，但一些最有用的元素仍表现得过于相似，难以分离。为了微调纯化过程，使其能够区分相似的稀土元素对，研究团队使用了电流并添加了镁离子。镁起到支架的作用，保持氧化锰通道的设计间隔，即使稀土元素试图扩展它——这种作用称为钉扎。现在，稀土离子在与分层材料结合时显示出即使在非常相似的情况下也存在差异。“即使是表现几乎相同的元素也仍会试图扩展材料，为它们的水分子腾出空间，”博士生Zou Siqi说，他是新论文的共同第一作者。