加州大学圣巴巴拉分校化学教授贾斯汀·威尔逊表示，未来几年世界将需要大量稀有金属。但他指的不是锂、钴，甚至铍。威尔逊感兴趣的是镝，它在元素周期表中的位置非常隐蔽，如果你认为这是威尔逊编造的，那也情有可原。

镝等稀土元素 (REE) 在现代电子产品中有着许多特殊用途。美国能源部将它们列为“关键矿物”。虽然它们不像铂或金等贵金属那么稀有，但它们很难从天然矿床中获得。它们的化学性质也极为相似，因此很难将它们彼此分离。

但威尔逊和博士后研究员杨阳高领导的团队刚刚开发出一种在室温下净化某些稀土元素的技术，无需依赖目前用于该任务的有和腐蚀性化合物。该研究结果发表在《应用化学国际版》杂志上，有望提供一种更安全、更有效的方法来处理采矿作业中产生的这些金属，并从电子垃圾中回收它们。

远离公众视线的有用元素

稀土元素包括钪、钇和镧系元素——这是出版商从元素周期表中删去的两行中的第一行，以便将其放在一页上。镧系元素(以及它们下面的锕系元素)实际上位于第二列的右侧。您可能熟悉稀土元素钕，它是用于制造超强磁铁的金属。威尔逊也对钕感兴趣。

这些元素具有许多共同的化学性质，因此很难将它们区分开来。它们都形成带 +3 电荷的离子，并且都倾向于与元素周期表第二行的非金属(如氧和氮)结合。幸运的是，它们的离子半径或大小略有不同。然而，它们的尺寸仍然相当相似，整个系列的半径变化只有 16%。

尽管稀土元素的物理和化学性质相似，但它们也有自己的独特之处。价电子数量和排列的差异赋予了这些元素不同的磁性和光学性质。只有将它们分离成纯样品，我们才能利用这些独特的特性。

调整技术

目前，行业内分离稀土元素的标准方法称为液液萃取，即结合有机溶剂(如煤油或苯)和水基溶剂。“这就像沙拉酱，有两种状态，但不会混合，”威尔逊说。因此，化学家将螯合剂分子添加到有机溶剂中，用于与稀土元素结合。

关键在于这些螯合剂对较小的原子有轻微的偏好，这使得它们能够根据大小将一种稀土元素与另一种稀土元素分离。不过，这个过程相当低效：每个萃取周期只有百分之几的富集。要获得足够纯度的特定元素样品用于工业用途，需要许多液液萃取周期，这会产生大量化学废物。

威尔逊与康奈尔大学和内华达大学里诺分校的合著者开发了更优化的螯合剂和一种不需要有机溶剂的工艺。这消除了通常易燃、致癌和有的物质。

作者在镝 (Dy) 和钕 (Nd) 溶液中测试了他们的方法。他们使用一种称为 G-macropa 的特殊螯合剂与较大的 Nd 原子结合，然后添加碳酸氢钠(又称小苏打)使较小的 Dy 沉淀为碳酸盐。这可以简单地过滤出来并加工以回收纯金属。降低剩余溶液的酸度使他们能够将 Nd 从螯合剂中分离出来，然后可以重新使用。

该新工艺的单个循环可使镝的浓缩倍数增加 800 倍以上，而液液萃取的浓缩倍数则不到 10 倍。

“当我的博士后杨阳向我展示元素分析数据时，我感到非常惊讶，”威尔逊说。在重复测试以确认结果后，该团队意识到他们的螯合剂对于这一分离过程有多么精细的调整。

通过与内华达大学雷诺分校教授 David Cantu 的合作，他们能够在分子水平上了解 G-macropa 的功效并将其与其他螯合剂进行比较。这些理论研究将有助于科学家设计第二代类似物。

大型应用和小型调整

这种效率对于扩大工艺规模非常重要，因为 G-macropa 螯合剂比标准螯合剂更复杂，因此价格也更昂贵。该团队还在探索生产成本更低的螯合剂。

Wilson 和他的合著者专注于将 Nd 从 Dy 中分离出来，因为这两种元素在电子垃圾中含量丰富，尤其是那些钕磁铁。事实上，他们在电子垃圾上进行了实验，以强调其回收利用成为经济上可行的稀土元素来源的潜力。

他们正在努力使该技术适用于其他稀土元素组合，并确保它适用于与工业来源更相似的高浓度稀土元素。

稀土元素分离技术的发展可能会极大地影响这些金属的供应链。美国拥有大量稀土元素储量，但重要的环境和健康法规阻碍了美国工业与中国的竞争，因为中国的这些保障措施要宽松得多。

威尔逊说： “更清洁、更有效地分离这些元素可能会打开稀土元素的国内供应。”随着这些奇怪的金属变得越来越重要，这对国家安全和美国经济来说将是双赢的。