人工膜通道可更有效地提取稀土元素

一种更高效、更环保的方法来提取稀土元素，为从电动汽车电池到智能手机的所有产品提供动力，可以增加国内供应，减少对昂贵进口的依赖。

这种由德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发的新方法允许在当今不可能的情况下分离和提取这些需求元素，为在全球贸易紧张局势下收集稀土元素开辟了新途径。

科克雷尔工程学院Fariborz Maseeh土木、建筑和环境工程系以及McKetta化学工程系的教授Manish Kumar说：“稀土元素是先进技术的支柱，但它们的提取和纯化是能源密集型的，极难在所需的规模上实施。”“我们的工作旨在改变这一点，受到自然界的启发。”

该研究发表在ACS Nano上。研究人员开发了人工膜通道——嵌入膜中的微孔——模仿生物系统中运输蛋白的选择性运输机制。这些通道是不同离子在细胞之间传播的道路。

每个通道都是不同的，只允许具有某些特征的离子通过，而阻止其他离子通过。这种选择性对许多生物过程至关重要，包括我们的大脑如何思考。

研究人员的人工通道使用了一种名为pillararene的结构的修改版本，以增强它们在运输特定稀土离子的同时结合和阻断特定常见离子的能力。其结果是，该系统可以选择性地传输中稀土元素，如铕（Eu3+）和铽（Tb3+），同时排除钾、钠和钙等其他离子。

“大自然已经完善了通过生物膜进行选择性运输的艺术，”McKetta化学工程系教授、研究负责人之一Venkat Ganesan说。“这些人工通道就像微小的看门人，只允许所需的离子通过。”

稀土元素分为几类（轻、中、重），每类都有不同的性质，使其成为特定应用的理想选择。中间元素用于照明和显示器，包括电视，以及绿色能源技术中的磁铁，如风力涡轮机和电动汽车电池。

美国能源部和欧盟委员会已经确定了几个中间元素，包括铕和铽，作为面临供应中断风险的关键材料。到2035年，对这些元素的需求预计将增长2600%以上，因此找到可持续的方法来提取和回收它们比以往任何时候都更加紧迫。

在实验中，人工通道显示出铕比镧（一种轻稀土元素）偏好40倍，铕比镱（一种重稀土元素）偏爱30倍。这些选择性水平明显高于传统溶剂法所达到的选择性水平，传统溶剂法需要几十个阶段才能达到类似的结果。

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使用先进的计算机模拟，他们发现通道的选择性是由稀土离子和通道之间独特的水介导相互作用驱动的。这些相互作用使通道能够根据离子的水合动力学（水分子如何围绕离子并与离子相互作用）来区分离子。

Kumar和他的团队已经在这项研究上工作了五年多。他是膜分离领域的专家，也将这些知识应用于清洁水的生产。

研究人员设想他们的技术将被集成到可扩展的膜系统中，用于工业用途。目标是使用清洁能源在美国更容易进行离子分离。他们正在为这些通道开发一个平台，允许用户选择各种离子进行收集。这可能包括其他关键矿物，如锂、钴、镓和镍。“这是将自然界复杂的分子识别和运输策略转化为强大的工业过程的第一步，从而为当前方法不足的环境带来高选择性，”参与该项目的Kumar实验室研究助理Harekrushna Behera说。

该团队包括来自Fariborz-Maseeh土木、建筑和环境工程系、McKetta化学工程系和自然科学学院化学系的研究人员。他们是：泰勒·J·邓肯、拉克米查兰·萨米尼尼、吴贤吉、安基特·乔丹德、阿纳夫·卡尼克、拉曼·迪曼、艾达·菲卡、谢子云。p